Как старые радары эпохи Второй мировой войны точно измеряли временную задержку и интегрировали ее в осциллограф?

Скорость света составляет около 300 000 км в секунду. Ошибка всего в 1 мс приведет к отключению примерно на 300 км, что является слишком большой ошибкой для радара. Я предполагаю, что для достижения точности в 3 км требуется точность порядка 10 микросекунд.

Однако я хочу знать, как микросекундная точность интегрируется в осциллограф, чтобы оператор мог визуально заметить разницу в 1 мс. Какой был перевод? Например, разница в 1 микросекунду отбрасывает вспышку на 10 миллиметров? Я понимаю, что осциллограф преобразует сигнал в напряжение, но я не понимаю, как задержка обрабатывается и отображается на экране? Требуются ли для этого вакуумные трубки?

Основной радарный дисплей PPI (индикатор положения в плане) - вид, который имеет яркую линию, которая движется вокруг круглого экрана, как секундная стрелка на часах, - работает по принципу, согласно которому электроника производит "свип" электронного луча в радиальный путь, в то время как сигнал от радиолокационного приемника контролирует его интенсивность. При получении сильного сигнала на дисплее создается яркое пятно. Положение "блика" напрямую соответствует положению цели, которая его создала в реальном мире.

Аналоговые схемы той эпохи могут легко иметь полосу пропускания 10 МГц или более, обеспечивая разрешение по дальности порядка 15 метров (50 футов) или около того. (Имейте в виду, что сигнал должен совершать две поездки, поэтому вы получаете удвоенное разрешение, которое вы могли бы ожидать в противном случае.) Скажите, что расстояние установлено на 75 км (около 45 миль). Сигнал займет около 0,5 мс, чтобы вернуться к приемнику в максимальном диапазоне, что означает, что для каждого переданного импульса электронный луч на дисплее должен перемещаться от центра к краю дисплея в течение этого времени. Схема для этого не сложнее, чем генератор горизонтального качания обычного осциллографа. Настройки с более коротким диапазоном требуют более быстрой развертки, но все же в пределах разумного.

Выход генератора импульсов также может быть добавлен к сигналу интенсивности для создания «маркеров» диапазона на дисплее - концентрических кругов, которые дают оператору лучший способ оценить расстояние до цели.

Генератор пилообразного сигнала обеспечивает основной сигнал развертки от центра к краю дисплея. Было несколько способов заставить его вращаться синхронно с физическим положением антенны. Самые ранние версии фактически механически вращали катушки отклонения вокруг шеи дисплея ЭЛТ. В более поздних моделях использовался специальный потенциометр, в который были встроены функции синуса и косинуса - сигнал развертки (и его дополнение) подавался на концевые клеммы, стеклоочиститель вращался синхронным двигателем, и два отводных сигнала передавали сигналы (теперь исправлено) X и Y отклоняющие пластины. Позже эта синусно-косинусная модуляция была сделана полностью электронным способом.

Одна из проблем заключалась в том, что эти дисплеи были не очень яркими, в основном из-за длительно стойких люминофоров, используемых для получения изображения, которое «задерживалось» достаточно долго, чтобы быть полезным. Их нужно было использовать в затемненной комнате, иногда с капюшонами над ними, в которые мог заглянуть оператор. Во время Второй мировой войны я не был жив, но в начале 1980-х годов я проделал определенную работу над чипом, который мог оцифровывать и «растеризовывать» сигнал с радиолокационной станции, чтобы он мог отображаться на обычном телевизионном мониторе. Такой монитор можно сделать намного ярче (короткодисперсные люминофоры) - достаточно яркий, чтобы его можно было использовать, например, непосредственно в диспетчерской вышке аэропорта, чтобы оператору вышки не приходилось полагаться на устные сообщения от отдельного радарного оператора. в другой комнате. Чип даже симулировал «медленный распад» функция аналогового дисплея. В настоящее время у каждого дешевого цифрового осциллографа есть эта особенность "переменного постоянства". :-)

Естественно, мне приходилось моделировать радиальное сканирование аналогового дисплея при записи сигнала приемника в буфер видеокадра. Я использовал ПЗУ для преобразования сообщенного углового положения антенны в значения синуса / косинуса, которые были переданы на пару генераторов DDS для получения последовательности адресов памяти X и Y для каждой развертки.

Требуются ли для этого вакуумные трубки?

Традиционный аналоговый прицел - это, по сути, вакуумная трубка (ЭЛТ) с пилообразным сигналом временной развертки и сигналом, подаваемым непосредственно на горизонтальные и вертикальные пластины, чтобы направить луч в место перемещения на экране.

Вакуумные трубки также использовались бы в схемах усилителя для создания больших напряжений, необходимых на пластинах для перемещения луча.

AFAIK, все сферы эпохи Второй мировой войны работали по этому принципу, поэтому вакуумные трубки были неотъемлемой частью дизайна прицела.

Однако я хочу знать, как с точностью до миллисекунды интегрируется осциллограф, чтобы оператор мог визуально заметить разницу в 1 мс.

Горизонтальное отклонение было вызвано пилообразной волной. Скорость нарастания этой пилообразной формы определяла масштаб между временем и горизонтальным положением на экране. В текущем дневном масштабе масштабирование может составлять от нескольких пикосекунд на сантиметр пространства экрана до часов на сантиметр. В 1940-х годах самый высокий масштаб не был бы пикосекундами на сантиметр, но вполне мог быть микросекундами на сантиметр.

Очевидно, что в традиционном радиолокационном дисплее есть некоторая сложность, когда «горизонтальная» (временная шкала, соответствующая дальности в радиолокационной системе) ось поворачивается вокруг центра экрана, чтобы указать направление вращения антенны, а я Я не уверен, как это было достигнуто (я могу представить пару разных возможностей). Но это не меняет принципиальной точки зрения, что «дальномерное» разрешение радара на экране будет определяться только тем, насколько быстро нарастало напряжение «горизонтальной» отклоняющей пластины.

Радар SCR-270, который присутствовал в Перл-Харборе 7 декабря 1941 года, имел следующие характеристики:

• Частота передачи: 105 МГц
• Ширина импульса: 10-25 мкс
• Частота повторения: 621 Гц
• Уровень мощности: 100 кВт
• Максимальная дальность: 250 миль
• Точность: 4 мили, 2 градуса

В нем использовалось большое количество вакуумных трубок, включая ЭЛТ (весь радар занимал 4 больших прицепа). Следующая ссылка показывает фактический след осциллографа при обнаружении приближающихся японских самолетов:

http://www.pearl-harbor.com/georgeelliott/scope.html .

Рассмотрим вакуумную трубку 12SK7: гм 0,002, сопротивление пластины 0,8 МегОм, емкость сетки 6 пФ, емкость выхода (пластины) 7 пФ.

Прогнозировать пропускную способность по г / с. Предположим, что нодальный C 6p + 7p + 7p, паразитный = 20pF.

Полоса пропускания составляет 0,002 / 20e-12 = 0,0001 * e + 12 = 1e + 8 = 100 Мегарадиан / сек или 16 МГц; используя эмпирическое правило Tektronix 0,35 на полосу пропускания для отклика многоступенчатых систем или 0,35/16 МГц, Trise составляет 20 нс; 20 нс, разрешение 20 футов в одну сторону, 10 футов в 2 направлениях, разрешение.

http://www.r-type.org/pdfs/6sk7.pdf

Если я правильно понимаю, вопрос в том, как электроника дисплея радара может точно справиться со скоростью света. Здесь я покажу, что электроника дисплея радара может работать медленнее, чем вы могли ожидать.

Допустим, радар рассчитан на дальность 100 миль. Округление для удобства, это около 160 км.

Как вы также заметили, отклонения X и Y дисплея прицела управляются независимыми входами напряжения. Давайте рассмотрим простой A-Scope установки. Запустите прогиб X из цепи, которая генерирует развертку от -V до + V (крайний левый или правый на дисплее). (Скорее всего, это была трубчатая цепь.) Схема спроектирована таким образом, чтобы общее время, необходимое для перехода от рельса к рельсу, составляло 1 мс. Эта развертка, скорее всего, будет вызвана тем же сигналом синхронизации, который запускает передачу радара.

Отклонение Y подается радиолокационным приемником. Сообщение будет отображаться в любом положении развертки при получении отражения. В результате, чем позже отражение воспринимается приемником, тем дальше вправо появляется сообщение на дисплее.

Стоит отметить, что в то время как радиолокационная волна проходит 200 миль (туда и обратно), точка на экране прицела должна пройти всего несколько дюймов! В этом смысле электроника дисплея может работать намного медленнее, чем «скорость света». Размах 1 мс легко достигается в ламповой электронике. Это тот же класс технологий, что и для усиления аудиосигналов. Для сравнения, период горизонтальной развертки, используемый в каждом старом телевизоре NTSC, составлял около 0,064 мс.

Радарная система может быть откалибрована, поставив цель в известном диапазоне и отрегулировав цепи так, чтобы отображаемые величины соответствовали истинности земли. (Калибровка системы должна была быть искусством!)

$300000\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}}$

Одним из способов является модуляция сигнала радара синусоидальной волной, а затем измерение разности фаз сигнала модуляции между передаваемым и возвращенным сигналом - эта разница всегда пропорциональна расстоянию. Недостатком является то, что возврат от нескольких эхосигналов будет мешать и создавать сигнал возврата, который показывает расстояние где-то посередине между ними.

Более поздние модели будут использовать радиолокационный «чириканье», где частота модуляции будет пилообразной, что позволит различать различные эхо-сигналы и точно измерять расстояние до каждого из них.