구형 WW2-era 레이더는 어떻게 시간 지연을 정확하게 측정하고이를 오실로스코프에 통합 했습니까?

빛의 속도는 초당 약 300,000km입니다. 단 1ms의 오차는 약 300km 가량 떨어져 레이더에는 너무 많은 오차가 발생합니다. 3km의 범위 정확도를 얻으려면 10 마이크로 초 정도의 정확도가 필요하다고 생각합니다.

그러나 내가 알고 싶은 것은 마이크로 초 정확도가 오실로스코프에 통합되어 인간 작업자가 1ms의 차이를 시각적으로 알 수 있다는 것입니다. 번역은 무엇입니까? 예를 들어, 1 마이크로 초의 차이로 인해 립이 10 밀리미터 떨어져 있습니까? 오실로스코프가 신호를 전압으로 변환한다는 것을 알고 있지만 얻지 못하는 것은 어떻게 시간 지연이 처리되고 화면에 표시됩니까? 진공관이 필요 했습니까?

기본 PPI (plan position indicator) 레이더 디스플레이 (시계 위의 초침과 같이 원형 화면 주위를 휩쓸는 밝은 선을 가진 종류)는 전자 장치가 전자 빔의 전자 스위프를 스위프 (sweep)하는 원리에 따라 작동합니다. 레이더 수신기의 신호가 강도를 제어하는 ​​동안 방사형 경로. 강한 신호가 수신 될 때마다 밝은 점이 디스플레이에 생성됩니다. "블립"의 위치는 실제 세계에서 생성 한 대상의 위치와 직접 일치합니다.

이 시대의 아날로그 회로는 10MHz 이상의 대역폭을 쉽게 가질 수있어 15 미터 (50 피트) 정도의 범위 분해능을 허용합니다. (신호가 두 번 이동해야하므로 예상 할 수있는 해상도의 두 배를 얻습니다.) 범위가 75km (약 45 마일)로 설정되어 있다고 가정하십시오. 신호는 최대 범위에서 수신기로 돌아 오는 데 약 0.5ms가 소요됩니다. 즉, 전송되는 각 펄스에 대해 디스플레이의 전자 빔이 해당 시간 동안 디스플레이의 중앙에서 가장자리로 이동해야합니다. 이를 수행하는 회로는 일반 오실로스코프의 수평 스위프 생성기보다 더 복잡하지 않습니다. 범위가 짧을수록 스위핑 속도가 빨라야하지만 여전히 합리적인 수준입니다.

펄스 발생기의 출력을 강도 신호에 추가하여 디스플레이에 범위 "마커"를 만들 수 있습니다. 동심원은 조작자에게 대상까지의 거리를 더 잘 판단 할 수있는 방법을 제공했습니다.

톱니 생성기는 디스플레이 중앙에서 가장자리까지 기본 스위프 신호를 제공합니다. 안테나의 물리적 위치와 동기화하여 회전시키는 방법에는 여러 가지가있었습니다. 가장 초기 버전은 실제로 CRT 디스플레이의 목 주위에 편향 코일을 기계적으로 회전 시켰습니다. 이후 모델에는 사인 및 코사인 기능이 내장 된 특수 포텐쇼미터가 사용되었습니다. 스위프 신호 (및 그 보완 물)가 엔드 터미널에 적용되었고 와이퍼는 동기식 모터로 회전했으며 두 개의 탭은 신호를 (현재 고정되어 있음) X 및 Y 편향 판. 나중에이 사인 / 코사인 변조는 전적으로 전자적으로 수행되었습니다.

한 가지 문제는 이러한 디스플레이가 유용하지 않을 정도로 오랫동안 "지체 된"이미지를 생성하는 데 사용 된 오래 지속되는 인광체 때문에 주로 밝지 않다는 점이었습니다. 그들은 어두워 진 방에서 사용되어야했고 때로는 작업자가 들여다 볼 수있는 후드가있었습니다. 나는 2 차 세계 대전 중에 살아 있지 않았지만 1980 년대 초반 레이더 세트의 신호를 디지털화하고 "래스터 화"하여 기존 TV 모니터에 표시 될 수있는 칩에 대한 작업을 수행했습니다. 이러한 모니터는 훨씬 밝게 (짧은 지속성 인광체) — 공항의 관제탑에서 직접 사용할 수있을 정도로 밝아서 타워 운영자가 별도의 레이더 운영자의 구두 메시지에 의존 할 필요가 없었습니다. 다른 방에서. 이 칩은 심지어 "느린 붕괴"를 시뮬레이션 아날로그 디스플레이의 기능. 오늘날 모든 저렴한 디지털 오실로스코프에는 이러한 "가변 지속성"기능이 있습니다. :-)

당연히 수신기 신호를 비디오 프레임 버퍼에 쓸 때 아날로그 디스플레이의 방사형 스캔을 시뮬레이션해야했습니다. ROM을 사용하여보고 된 안테나의 각도 위치를 사인 / 코사인 값으로 변환했습니다.이 값은 한 쌍의 DDS 생성기에 공급되어 각 스윕에 대해 일련의 X 및 Y 메모리 주소를 생성했습니다.

진공관이 필요 했습니까?

기존의 아날로그 스코프는 기본적으로 진공관 (CRT)으로 타임베이스 톱니와 신호가 수평 및 수직 플레이트에 직접 적용되어 빔을 화면의 움직이는 위치로 보냅니다.

진공관은 또한 빔을 이동시키기 위해 플레이트 상에 필요한 큰 전압을 생성하기 위해 증폭기 회로에 사용되었을 것이다.

제 2 차 세계 대전 시대의 모든 범위에서 AFAIK가이 원리에 따라 작동했기 때문에 진공관은 스코프 디자인의 고유 한 부분이었습니다.

그러나 내가 알고 싶은 것은 밀리 초 정확도가 오실로스코프에 통합되어 인간 작업자가 1ms의 차이를 시각적으로 알 수 있다는 것입니다.

수평 편향은 톱니파에 의해 구동되었다. 이 톱니의 회전 속도는 화면에서 시간과 수평 위치 사이의 스케일링을 결정했습니다. 현재 일 범위에서, 스케일링은 화면 공간의 센티미터 당 몇 피코 초에서 센티미터 당 시간까지 어디든지 가능합니다. 1940 년대에 가장 높은 규모는 센티미터 당 피코 초가 아니었지만, 센티미터 당 마이크로 초일 수있었습니다.

기존의 레이더 디스플레이에는 분명히 "수평"(레이더 시스템의 범위에 해당하는 타임베이스) 축이 화면 중앙을 중심으로 회전하여 안테나의 방향을 회전시킬 때 약간의 복잡성이 있습니다. 이것이 어떻게 성취되었는지 잘 모르겠습니다 (몇 가지 다른 가능성을 상상할 수 있습니다). 그러나 이것은 화면상의 레이더의 "범위"분해능이 "수평"편향 판의 전압이 얼마나 빨리 램프에 의해 결정되는지에 대한 기본 포인트를 변경하지 않습니다.

1941 년 12 월 7 일 펄 하버에 있었던 SCR-270 레이더는 다음과 같은 특징을 가지고있었습니다

• 전송 주파수 : 105 MHz
• 펄스 폭 : 10-25 µsec
• 반복 속도 : 621Hz
• 전력 레벨 : 100kW
• 최대 범위 : 250 마일
• 정확도 : 4 마일, 2도

CRT (전체 레이더는 4 개의 대형 트레일러를 점유 함)를 포함하여 많은 진공관을 사용했습니다. 다음 링크는 접근하는 일본 비행기가 감지 될 때 실제 오실로스코프 추적을 보여줍니다.

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

12SK7 진공관 : gm 0.002, 플레이트 저항 0.8MegOhms, 그리드 커패시턴스 6pF, 출력 (플레이트) 커패시턴스 7pF를 고려하십시오.

gm / C로 대역폭을 예측합니다. 절점 C가 6p + 7p + 7p 기생 = 20pF라고 가정합니다.

대역폭은 0.002 / 20e-12 = 0.0001 * e + 12 = 1e + 8 = 100MRaRadians / second 또는 16MHz입니다. 다단계 시스템의 응답에 대해 0.35 / 대역폭의 Tektronix 룰 범위 또는 0.35 / 16MHz를 사용하면 Trise는 20nanoseconds입니다. 20 피트 편도 20 피트, 양방향 10 피트 해상도를 제공합니다.

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

올바르게 이해한다면 레이더 디스플레이 전자 장치가 어떻게 광속에 정확하게 대처할 수 있는지에 대한 문제가 있습니다. 여기서는 레이더 디스플레이 전자 장치가 예상보다 느리게 작동 할 수 있음을 보여줍니다.

레이더가 100 마일의 범위를 위해 설계되었다고 가정 해 봅시다. 편의를 위해 반올림하면 약 160km입니다.

또한 언급했듯이 스코프 디스플레이의 X 및 Y 처짐은 독립적 인 전압 입력에 의해 제어됩니다. 간단한 범위 설정을 고려해 봅시다 . -V에서 + V (디스플레이에서 가장 왼쪽에서 가장 오른쪽)까지 스윕을 생성하는 회로에서 X 편향을 실행합니다. (이것은 튜브 회로 일 가능성이 높습니다.)이 회로는 레일에서 레일로 이동하는 데 걸리는 총 시간이 1ms가되도록 설계되었습니다. 이 스위프는 레이더의 전송을 트리거하는 동일한 타이밍 신호에 의해 트리거 될 수 있습니다.

Y 편향은 레이더 수신기에 의해 공급됩니다. 반사가 수신 될 때 스윕 위치에 상관없이 블립이 나타납니다. 결과적으로 리시버가 반사를 감지할수록 디스플레이에서 립이 오른쪽으로 갈수록 멀어집니다.

주목해야 할 점은 레이더 파가 200 마일 (다시 그리고 다시) 이동하는 동안 스코프 디스플레이의 점은 몇 인치 만 이동하면된다는 것입니다! 이런 의미에서, 디스플레이 전자 장치는 "광속"보다 훨씬 느리게 작동 할 수 있습니다. 1ms 스윕은 튜브 전자 장치에서 쉽게 달성됩니다. 그것은 오디오 신호를 증폭시키는 것과 같은 종류의 기술입니다. 비교를 위해, 모든 구형 NTSC 텔레비전 세트에 사용 된 수평 스위프 기간은 약 0.064ms였다.

레이더 시스템은 목표 범위를 알려진 범위에 놓고 회로를 조정하여 표시된 수량이 실제와 일치하도록 교정 할 수 있습니다. (시스템 캘리브레이션은 예술적인 형태 였을 것입니다!)

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

한 가지 방법은 사인파로 레이더 신호를 변조 한 다음 전송 된 신호와 반환 된 신호 간의 변조 신호의 위상차를 측정하는 것입니다.이 차이는 항상 거리에 비례합니다. 단점은 여러 반향으로부터의 리턴이 방해하고 둘 사이의 중간 어딘가에 거리를 나타내는 리턴 신호를 생성한다는 것입니다.

이후 모델들은 레이더 "처프 (chirp)"를 사용하는데, 여기서 변조 주파수는 톱니가되고, 다른 에코를 구별하고 각각의 거리를 정확하게 측정 할 수 있습니다.