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Verfahren zur Entfernungsmessung mit Hilfe einer Einrichtung für ultrahochfrequente
elektromagnetische Wellen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernungsmessung
mit Hilfe einer Einrichtung für ultrahochfrequente elektromagnetische Wellen, insbesondere
Dezimeter- oder Zentimeterwellen, die auf einem der Gegenstände, deren Entfernung
voneinander bestimmt werden soll, angeordnet ist. Insbesondere bezieht sich die
Erfindung auf eine Einrichtung zur Höhenbestimmung eines Flugzeuges, bei dem Sender
und Empfänger auf dem Flugzeug angeordnet sind. Erfindungsgemäß wird die von einem
Gegenstand zum anderen Gegenstand ausgesandte elektromagnetische Welle in ihrer
Frequenz nach einer Sinuskurve gewobbelt. Die am zweiten Gegenstand, z. B. am Erdboden,
reflektierte Welle wird am ersten Gegenstand wieder empfangen und mit der direkten
Welle zur Überlagerung gebracht. Die Überlagerung erfolgt in einer Brückenanordnung,
und der dort entstehende niedriger frequente Richtstrom wird nach geeigneter Verstärkung
einer Induktivität di zugeführt, in der eine Größe in Abhängigkeit von dt entsteht,
die zur Anzeige des Abstandes dient.
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Es sind bereits Verfahren bekannt, bei denen die Frequenz des Generators
nach einer Sägezahnkurve mit der Zeit linear moduliert wird. Bringt man hierbei
im Überlagerungsempfänger die vom Generator direkt kommende mit der reflektierten
Welle zur Überlagemug, so entsteht, abgesehen von kurzen Zeit-
intervallen
an den Unstetigkeitsstellen der Sägezahnkurve, eine Zwischenfrequenz, die proportional
mit der Laufzeit und damit auch mit dem Laufweg, d. h. mit dem Abstand bzw. der
Höhe, wächst. Aus dieser Zwischenfrequenzspannung wird nun die für den Abstand bzw.
die Höhe über dem Erdboden charakteristische Frequenz herausgesiebt. Dieses bekannte
Verfahren hat zwei Nachteile, erstens ist es nicht einfach, eine mit der Zeit linear
veränderliche Trägerfrequenz, also eine nach einer Sägezahnkurve modulierte Frequenz
zu erzeugen, und zweitens ist die Anzeigemöglichkeit auf größere Abstände beschränkt,
da bei geringen Abständen eine ausgeprägte Zwischen frequenz nicht mehr auftreten
kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Nachteile vermieden.
Die sinusförmige Frequenzwobbelung läßt sich in einfacher Weise durchführen, und
die Benutzung einer von di abgeleiteten Größe ermöglicht die Abstandsmessung bis
auf sehr kleine Entfernungen von etwa 1 m.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar einen Höhenmesser
für Flugzeuge, der also auch für geringe Höhen verwendbar ist, zeigt schematisch
die Abb. I. Als Generator dient eine Elektronenröhre I mit Hohlraumresonator. Die
Frequenz des Hohlraumresonators wird durch einen besonderen Abstimmhohlraum 2 periodisch
geändert. Hierzu kann z. B. ein Hohlraum dienen, in dem zwei Leiter mit abgeschrägten
Kanten einander gegenüberstehen, wie in Abb. 2 angedeutet und anderwärts schon vorgeschlagen
ist. Die dort eingetragene Größe R bezeichnet die Betriebswellenlänge. Der eine
Leiter 3 steht fest, während der andere Leiter 4 durch den Motor 6 gedreht wird.
Hierdurch wird periodisch die Kapazität 5 zwischen den beiden Leitern verändert
und damit die Frequenz moduliert, und zwar nicht nach einer Sägezahnkurve, sondern
nach einer Sinuskurve. Diese modulierte Frequenz wird über den durch die Leitung
9 gespeisten Strahler Io, der an dem einen Flügel angeordnet ist, nach dem Erdboden
gesendet. Die dort reflektierte Welle wird vom Strahler I3, der am anderen Flügel
angeordnet ist, aufgenommen und über die Leitung 12 einer Brückenschaltung Iq zugeführt,
in der die Röhre I5, z. B. eine Duodiode, vorgesehen ist. In dieser wird die reflektierte
Schwingung mit der vom Generator I über die Energieleitung ix direkt ankommenden
Oszillatorschwingung überlagert.
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Die Änderung der Eigenfrequenz des Hohlraumresonators braucht nicht
auf die oben beschriebene kapazitive Weise zu erfolgen. Man kann statt dessen auch
einen Verdrängungskörper periodisch in den elektrischen und magnetischen Feldraum
eintauchen lassen, wie es anderwärts im einzelnen bereits vorgeschlagen ist.
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Mit 7 ist eine Diode bezeichnet, die eine doppelte Aufgabe zu erfüllen
hat. Einmal dient sie als Schwingungsanzeiger; die andere Aufgabe besteht in folgendem:
Durch die periodische Veränderung der Kapazität im Abstimmhohlraum 5 entsteht eine
zusätzliche Amplitudenmodulation, die unerwünscht ist. Die Diode 7 arbeitet nun
mit dem Gegenkopplungsverstärker8 derart auf den Generator 1, daß die störende Amplitudenmodulation
auf ein erträgliches Maß vermindert wird.
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Die Brückenschaltung I4, welche Gegenstand eines früheren Vorschlags
und in Abb. 3 wiedergegeben ist, dient zur Entkopplung des Oszillators von der Empfangsantenne,
verhindert also, daß der Oszillator 1 über die Antenne I3 strahlt. Die Antennenschwingung
wird über eine Lecherleitung und einen Sperrkreis I6 sowie Blockkapazitäten I7 der
Duodiode 15 zugeführt.
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Die Oszillatorschwingung wird der Duodiode ebenfalls über eine Lecherleitung
zugeführt, und zwar über den Mittelabgriff I8 der Induktivität des Sperrkreises
16.
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Die Sperrkreise 19 verhindern ein Abfließen der Hochfrequenz in den
Zwischenfrequenzkreis.
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Die von der Duodiode 15 erzeugte Richtfrequenz wird über Transformatoren
20, 21 dem Verstärker 36 zugeführt. Die letzte Stufe des Verstärkers 36 ist hochohmig
ausgebildet und über eine Reihenschaltung eines Widerstandes R und einer SelbstinduktionL
(vgl. Abb. I) kurzgeschlossen. Der Strom i in dieser letzten Stufe ist bei unverzerrt
arbeitendem Verstärker der llichtspannung u an der Duodiode 15 direkt proportional.
Die Spannungsabfälle über R di und L sind also zu i bzw. dt und damit auch zu n
bzw. du dt proportional. Richtet man nun diese Größen R i und L di durch die Gleichrichter
37 und 38 gleich und dt sorgt durch geeignete Siebmittel dafür, daß die aus den
Gleichrichtern herausfließenden Gleichströme keine Welligkeit mehr zeigen, so ergibt
die genaue Untersuchung, daß dann der Quotient dieser zwei Gleichströme, der symbolisch
geschrieben werden kann
dem Laufweg direkt proportional ist. Die Proportionalität bleibt bis zu derart kurzen
Laufwegen erhalten, bei denen von einer ausgeprägten Zwischenfrequenz der Oszillator-
und der reflektierten Welle nicht mehr gesprochen werden kann. Dieser Quotient wird
nun in einem Kreuzspulinstrument 39 zur Anzeige gebracht, dessen Spulen durch die
aus den Gleichrichtern 37 und 38 stammenden vollkommenen Gleichströme durchflossen
sind.
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Damit bei dem oben beschriebenen Verfahren der angegebene Quotient
bis zu den geringsten Entfernungen dem Laufweg genau proportional verbleibt, müssen
im Verstärker 36 und in den hinter den Gleichrichtern 37 und 38 vorgesehenen Siebmitteln
erhebliche Mengen von Eisen aufgewendet werden. Diese Eisenmengen sind nötig, um
einerseits sehr niedrige Frequenzen unverzerrt zu verstärken, andererseits sehr
niedrige Frequenzen in den Gleichströmen, die das Kreuzspulinstrument durchfließen,
zu unterdrücken.
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Die Untersuchung dieser Verhältnisse zeigt, daß eine eindeutige Anzeige
bis zu Laufwegen von wenigen Metern auch dann noch möglich ist, wenn der Verstärker36
Frequenzen, die unterhalb der Frequenz liegen, mit welcher gewobbelt wird, nicht
mehr durch-
läßt. Eine weitere Vereinfachung der Apparatur und Ersparnis
von Gewicht ergibt sich dann, wenn die hinter die Gleichrichter 37 und 38 geschalteten
Siebmittel in den Spulen 39 des Kreuzspulinstrumentes noch eine Welligkeit für Frequenzen
unterhalb der Wobbelfrequenz zulassen. Die Mittelung geschieht dann nicht einzeln
an den den Gleichrichtern 37 und 38 entstammenden Gleichströmen, sondern es wird
durch das Kreuzspulinstrument 39 der Quotient dieser beiden noch mit Schwankungen
behafteten Gleichströme gemittelt. Auch diese Anzeige erweist sich als eindeutig
und möglich, und zwar bis zu Laufwegen von wenigen Metern. Derartige eisenarme Anordnungen
sind gerade für Höhenmesser für Flugzeuge wichtig, da es hier auf geringes Gewicht
besonders ankommt.
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Der Quotient Q ist ferner dadurch ausgezeichnet, daß er unabhängig
von der Amplitude der reflektierten Welle ist, d. h. Schwankungen dieser Amplitude,
die z. B. auf Bodeneinflüsse zurückzuführen sind, machen sich in der Anzeige nicht
bemerkbar.
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Bei dem beschriebenen Entfernungsmesser besteht die Gefahr, daß außer
der am anderen Gegenstand reflektierten Welle von der Senderantenne IO noch eine
direkte Welle zur Empfangsantenne I3 gelangt.
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Diese Welle hat naturgemäß einen festen und von dem Abstand vom anderen
Gegenstand völlig unabhängigen Laufweg und läßt sich durch keine Abschirmung ganz
unterdrücken. Damit diese Welle keine Anzeige ergibt, ist in der Energieleitung
II, die den Generator I bzw. den Abstimmhohlraum 2 mit der Brückenschaltung 14 und
damit mit der Diode 15 verbindet, ein posaunenartiger Auszug 35 vorgesehen, der
erlaubt, den Laufweg der Oszillatorwelle fein einzustellen, d. h. derart zu trimmen,
daß die Oszillatorwelle und die von der Sendeantenne zur Empfangsantenne direkt
übergehende Welle mit möglichst genau go" Phasenverschiebung in der Diode ankommen.
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Unter dieser Bedingung ist nämlich die in der Diode 15 erzeugte Richtspannung
und damit auch der erzeugte Richtstrom ein Minimum. Die direkte Welle ist damit
in ihrer Wirkung weitgehend ausgeschaltet.
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Das neue Verfahren zur Entfernungsmessung ist im vorliegenden Fall
als Höhenmesser für Flugzeuge beschrieben. Hierauf ist die Erfindung nicht beschränkt,
sie kann vielmehr allgemein als Entfernungsmeßverfahren z. B. bei Schiffen oder
am festen Land angewendet werden.