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Verfahren zur Entfernungsbestimmung mittels elektromagnetischer Wellen
Gegenstand der Erfindung sind Verfahren und Anordnungen, welche es erlauben, aus
der Zeitdifferenz zwischen einem ausgesandten und zurückkehrenden elektromagnetischen
Energieimpuls die durchlaufene Wegstrecke zu bestimmen und gleichzeitig durch ein
Differentialverfahren die Richtung der Sendestation genau festzulegen, so daß eine
eindeutige Ortsbestimmung möglich ist. Zur Verwendung gelangen insbesondere gerichtete
ultrakurze elektrische Wellen.
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Es sind Verfahren zur Entfernungsmessung bekannt, bei welchen von
einer Station = ein elektromagnetischerWellenzug ausgesendet wird, welcher von einer
in der zu messenden Entfernung d befindlichen Station 2 empfangen und nach entsprechender
Verstärkung von der Station 2 wieder ausgesendet wird, sodann von der Station i
wieder empfangen und neuerdings ausgesendet wird usw. Der auf diese Weise hin und
her pendelnde Wellenzug regt in einer der Empfangsstationen einen Schwingungskreis
an, der auf die Frequenz dieser Pendelung abgestimmt ist. Diese Frequenz kann gemessen
und daraus die Entfernung d bestimmt werden.
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Dieses Verfahren versagt jedoch, wenn die Länge des von der Station
i erstmalig ausgesandten Wellenzuges gleich oder größer ist als das Doppelte der
zu messenden Entfernung d, da ja in diesem Falle ein Hinundherpendeln des Wellenzuges
nicht mehr möglich ist. Aber auch wenn die Länge des Wellenzuges z. B. zwischen
d und 2 d beträgt, arbeitet dieses Verfahren nicht einwandfrei, da
in diesem Falle infolge der nicht sinusförmigen Modulation der Trägerwelle alle
möglichen Frequenzen auftreten, welche die Resonanzabstimmung des Meßkreises auf
die Frequenz der Pendelung unmöglich macht. Ein einwandfreies Arbeiten nach diesem
Verfahren ist nur dann möglich, wenn entweder die Länge des erstmalig ausgesandten
Wellenzuges gleich der Entfernung d ist, oder wenn sie so kurz ist, daß der Meßkreis
der Empfangsstation nur durch Stoß erregt wird. Mit den bisher bekannten Anordnungen,
welche zur Ausführung dieses Verfahrens dienen, kann keine dieser Bedingungen erfüllt
werden. Insbesondere ist bei diesen Anordnungen die Zeitkonstante der Schwingungserregung
des Senders so groß, daß ein genügend kurzer Wellenzug nicht erzeugt werden kann.
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Vorliegende Erfindung gibt zwei Verfahren und Anordnungen an, in welchen
diese Nachteile vermieden sind.
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Nach dem ersten Verfahren wird als Trägerwelle eine gerichtete ultrakurze
Welle verwendet, der eine längere Hochfrequenzwelle überlagert ist, wobei die Länge
der überlagerten Welle mit der zu messenden Entfernung oder mit einem ganzen Vielfachen
davon übereinstimmt. Zur Erläuterung diene die Abb. ia und ib.
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Die vom Sender S1 ausgehende Wellenstrahlung von der Frequenz f1 und
der überlagerten Frequenz f2 trifft auf ein Hindernis,
an dem sie
reflektiert wird, oder auf eine Gegenstation E2, S2, von der sie empfangen und nach
entsprechender Verstärkung wieder ausgesendet wird. Die am Sendeort befindliche
Empfangsstation Ei ist auf die primäre Frequenz f1 abgestimmt und beeinflußt mit
der überlagerten Frequenz f2 nach entsprechender Verstärkung wieder rückwirkend
den Sender S1, ruft also hier eine zeitlich verzögerte Rückkopplung hervor. Wird
nun die Länge der Überlagerungswelle auf die Länge d der zu messenden Entfernung
oder ein ganzes Vielfaches davon abgestimmt, so treten im Empfänger El Resonanzmaxima
auf. Die hierbei vorhandene Länge der Überlagerungswelle kann gemessen und hieraus
die Entfernung d bestimmt werden. Ein Ausführungsbeispiel. zeigt Abb. 2.
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Die Senderöhre x ist in der Bremsfeldschaltung nach Barkhausen-Kurz
geschaltet und erzeuge die sehr kurze Trägerwelle von der Frequenz f l. Die
Ausstrahlung der Welle erfolge durch die Röhre selbst oder durch einen angekoppelten
Dipol. Die Überlagerung der tieferen Modulationsfrequenz f2 erfolgt anfänglich dadurch,
daß letztere von der rückgekoppelten Röhre 2 in bekannter Schaltung erzeugt wird
und durch die Kopplung q. auf den Kurzwellensender x übertragen wird. Im Bremselektroden-oder
Gitterkreis der Senderöhre z kann gegebenenfalls nochmals ein abgestimmter Schwingkreis
liegen. Die vom Sender x ausgehende und von der Gegenstation zurückgesandte kurzwellige
Strahlung wird von der gleichfalls in der Bremsfeldschaltung geschalteten Röhre
3 aufgenommen und gleichgerichtet, so daß in der Spule 5 die Modulationsfrequenz
f2 auftritt. Diese steuert das Gitter der Verstärkerröhre 2, wodurch die Schwingungserregung
der letzteren verstärkt wird oder wodurch bei entsprechend loserer Rückkopplung
der Röhre 2 die in der Spule 5 auftretende Frequenz f2 verstärkt und durch die Kopplung
¢ wieder der primären Sendefrequenz überlagert wird. Durch den Abstimmkreis 6 kann
die Länge der überlagerungswelle so eingestellt werden, daß die von der Röhre x
ausgesandte Strahlung gerade wieder nach der Periodendauer oder einem ganzen Vielfachen
davon von der Röhre 3 aufgenommen wird. Die in diesem Falle im Schwingkreis 6 oder
in einem angekoppelten Meßkreis bestehende Resonanzfrequenz kann gemessen und daraus
die Entfernung d bestimmt werden.
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Das zweite Verfahren dient zur Erzeugung eines äußerst kurzen Energiestoßes,
welcher in bekannter Weise von der Station = ausgesendet wird und nach Rücksendung
durch die Station 2 in der Station z einen neuen Energiestoß auslöst und gleichzeitig
einen abstimmbaren Schwingkreis (Meßkreis) durch Stoß erregt.
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Nach vorliegender Erfindung, werden als Trägerwellen ultrakurze elektrische
Wellen oder Wellen des optischen oder des daran angrenzenden Bereiches verwendet,
deren Aufschaukelzeit bei ihrer Erzeugung (Zeitkonstante) klein ist gegenüber der
Zeitdauer des ausgegendeten Energiestoßes, wobei letzterer wieder kurz ist gegenüber
der Zeit, die zur Durchlaufung der Strecke d von den elektrischen Wellen benötigt
wird. Diese Bedingungen sind besonders bei Anwendung von Elektronenröhren in der
Bremsfeldschaltung nach Barkhausen-Kurz leicht zu erfüllen. Nachstehend ist ein
Verfahren angegeben, welches es gestattet, zeitlich äußerst kurze Energiestöße aperiodisch
auszusenden.
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Bei Elektronenröhren, besonders bei solchen, welche in der Bremsfeldschaltung
nach Barkhausen-Kurz geschaltet sind, bei welchen also am Gitter eine hohe positive
Spannung und an einer Bremselektrode eine geringe negative Spannung liegt, kann
die Erscheinung auftreten, daß bei Veränderung der Elektrodenspannungen (Gitterspannung
oder Spannung der Bremselektrode oder beide) in einem bestimmten Bereich die Schwingenergie
von Null oder einem sehr kleinen Wert auf ein Maximum ansteigt und danach wieder
auf Null oder einen sehr kleinen Wert abnimmt. Ein Beispiel der Abhängigkeit der
Schwingleistung N von der Spannung der Bremselektrode EA sowie des Verlaufs des
zugehörigen Bremselektrodenstroms 1A einer Elektronenröhre in der Brems, feldschaltung
nach Barkhausen-Kurz zeigt Abb. 3. Liegt nun im Bremselektrodenkreis der Röhre ein
Widerstand W (Abb. q.) und ist die Bremselektrodenspannung so gewählt, daß die Schwingungen
der Röhre bei einer geringen Verkleinerung der Bremselektrodenspannung gerade einsetzen
(Abb.3a. Punkt A,), so wird durch den nunmehr entstehenden Bremselektrodenstrom
und den hierdurch am Widerstand W auftretenden Spannungsabfall die Spannung der
Bremselektrode noch mehr verkleinert. Hierdurch wird wiederum die Schwingungsenergie
und der Bremselektrodenstrom vergrößert usw. Auf diese Weise durchläuft die Schwingleistung
in sehr kurzer Zeit die ganze Maximumkurve bis zu einem Punkt B1 (Abb.3a), dessen
Lage vom äußeren Widerstand W abhängt. Die Röhre sendet also einen kurzen Energieimpuls
aus. Die Zeit, in welcher diese Kurve durchlaufen wird, hängt von der Größe und
Art des Widerstandes W ab und kann beliebig eingestellt werden. Der Widerstand W
kann rein ohmisch, induktiv oder kapazitiv sein oder aus einer geeigneten Zusammenstellung
solcher Widerstände bestehen.
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Es genügt natürlich nicht, daß die Aussendung des Energiestoßes nur
einmal erfolgt, vielmehr muß die erwähnte Kurve (Abb. 3a) beliebig oft durchlaufen
werden können. Um den Arbeitspunkt der Röhre x von dem stabilen
Punkt
B1 auf den labilen Punkt A1 zurückzuverlegen, ist eine aweite Röhre 2 symmetrisch
zur Röhre z angeordnet (Abb. q.). Die Schaltung ist so, daß einer Vergrößerung der
Bremselektrodenspannung der Röhre z eine Verkleinerung der Bremselektrodenspannung
der Röhre 2 entspricht oder umgekehrt. Der Arbeitspunkt der Röhre 2 wird durch die
Vorspannung 7 so eingestellt, daß der labile Punkt Al mit dem stabilen Punkt B2
und der stabile Punkt B1 mit dem labilen Punkt AZ zusammenfällt (Abb.3b). Hierdurch
ist eine Umsteuerung der Richtung, in welcher die entsprechenden Kurven durchlaufen
werden, ohne Arbeitsaufwand möglich. Abb. q. zeigt ein Ausführungsbeispiel dieser
Schaltung.
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Die in der Bremsfeldschaltung geschaltete Röhre r sendet den ersten
Energiestoß aus. Der von der Gegenstation zurückgeworfene Impuls wird von der gleichfalls
in der Bremsfeidschaltung geschalteten Empfangsröhre 3 aufgenommen, im Verstärker
q. verstärkt und durch die Kopplung 5 auf die Röhren z und 2 übertragen. Hierdurch
wird in Röhre x und in Röhre?,
gleichzeitig ein kurzzeitiger Schwingungsimpuls
ausgelöst, wobei die Kurven (Abb. 3a und b) von der Röhre z vom Punkte B1 nach A1
und von der Röhre 2 vom Punkte A2 nach B2 durchlaufen werden. Die Aussendung dieses
zweiten Impulses erfolgt nach der Zeit T, welche der Impuls zum zweimaligen Durchlaufen
der Entfernung d benötigt. Der im Empfänger befindliche Schwingkreis 6 wird demnach
periodisch nach der Zeit T durch Stoß angeregt. Die im Resonanzfall bestehende Wellenlänge
kann gemessen und hieraus die Wegstrecke d bestimmt werden.
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Die Gegenstation, welche die ausgesandte Strahlung aufnimmt und wieder
zurücksendet, ist zweckmäßig genau so ausgeführt, wie die Ursprungsstation, so daß
auch sie als Ursprungsstation verwendet werden kann.
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Zur eindeutigen Ortsbestimmung ist außer der Messung der Entfernung
noch eine genaue Richtungsbestimmung erforderlich. Nach vorliegender Erfindung wird
hierfür nachfolgendes Verfahren angewendet: Die Sendestation sendet nicht einen,
sondern zwei oder erfindungsgemäß drei Strahlenkegel aus, deren Achsen in einem
kleinen Winkel gegeneinandergeneigt sind, nach Art des bisher für diese Zwecke angewendeten
Differentialverfahrens. Die sehr kurzwellige Strahlung ist hochfrequent, gegebenenfalls
auch niederfrequent moduliert. Die Phasen der Modulationswellen der einzelnen Strahlenkegel
sind jedoch so gegeneinander verschoben, daß sich die in jedem Zeitpunkt herrschende
Gesamtmodulation zu Null ergänzt. Der Empfänger nimmt demnach eine Energie auf,
wenn er sich in der räumlich sehr begrenzten Zone befindet, in welcher die. Einwirkung
der zwei oder drei Strahlenkegel gleich stark ist. Hierdurch läßt sich eine sehr
scharfe Richtwirkung erzielen.
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Die gleiche Richtwirkung läßt sich auch erzielen, wenn für die Sendestation
nur ein Koch-oder niederfrequent modulierter Strahlenkegel verwendet wird. In diesem
Falle werden mehrere gerichtete Empfänger verwendet, deren Richtungskegel in einem
kleinen Winkel gegeneinandergeneigt sind. Die gleichphasig im Empfänger aufgenommene
Modulationswelle wird gegeneinandergekoppelt, so daß die Wirkung Null ist, wenn
die von den einzelnen Empfängern aufgenommene Energie gleich groß ist.
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Die Verfahren erstrecken sich nicht nur auf die Verwendung elektromagnetischer
Wellen, welche durch Elektronenröhren erzeugt werden, vielmehr kann die Schwingungserzeugung
auch durch Funkenstrecke oder auf eine andere Art erfolgen. Insbesondere gelten
die angegebenen Verfahren auch für elektromagnetische Wellen des optischen und der
daran angrenzenden Bereiche. Die Modulation kann hier ebenso wie die der oben angenommenen
kurzen Wellen durch eine harmonisch überlagerte Hochfrequenzwelle erfolgen, oder
es können mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens sehr kurze Energiestöße erzeugt
werden, welche die Ausstrahlung der Lichtwellen usw. steuern.
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Zur Verbesserung der Richtwirkung der einzelnen Sender dient bei Anwendung
elektromagnetischer Wellen außerhalb des optischen Bereiches folgende Anordnung:
Wenn der strahlende Teil des Senders im Brennpunkt eines Reflektors aufgestellt
ist, so wird nur der Teil der Strahlung zu einem Strahlenbündel zusammengefaßt,
welcher auf den Reflektor fällt, während die von letzterem nicht erfaßte Strahlung
gestreut wird und für den Empfang erfahrungsgemäß vollkommen wirkungslos ist. Dies
kann erfindungsgemäß vermieden werden, wenn auf der dem Reflektor entgegengesetzten
Seite des Strahlers ein zweiter, kleinerer Reflektor angeordnet wird, der die in
dieser Richtung direkt ausgesendete Strahlung auf den Hauptreflektor zurückwirft.
Bei Anordnungen, bei welchen sich eine Elektronenröhre im Brennpunkt des Reflektors
befindet, hat vorliegende Erfindung außerdem den Vorteil, daß durch die von dem
Hilfsreflektor zurückgeworfene Strahlung eine günstige Rückwirkung auf die Schwingungserregung
der Röhre und eine Verstärkung der Schwingleistung derselben erreicht werden kann.