Bagaimana radar era WW2 yang lama secara akurat mengukur waktu tunda dan mengintegrasikannya ke dalam osiloskop?

24

Kecepatan cahaya sekitar 300.000 km per detik. Kesalahan hanya 1 ms akan menghasilkan sekitar 300 km, yang terlalu banyak kesalahan untuk radar. Saya kira itu membutuhkan akurasi pada urutan 10 mikrodetik untuk mendapatkan kisaran akurasi 3 km.

Apa yang ingin saya ketahui adalah bagaimana akurasi mikrodetik diintegrasikan ke dalam osiloskop sehingga operator manusia secara visual dapat melihat perbedaan 1 ms. Apa terjemahannya? Misalnya, 1 perbedaan mikrodetik menempatkan jarak blip 10 milimeter? Saya mengerti bahwa osiloskop menerjemahkan sinyal menjadi tegangan, tetapi yang tidak saya dapatkan adalah, bagaimana penundaan waktu diproses dan ditampilkan di layar? Apakah ini membutuhkan tabung vakum?

oscilloscope history radar

— DrZ214
sumber

1

Saya mengunjungi gua-gua kapur Dover beberapa tahun yang lalu dan ada banyak instalasi radar di sekitar pantai yang tumpang tindih - jadi kombinasi sinyal dan juga mereka didukung oleh pengamat di tanah juga ... Rupanya kami memiliki pegangan yang baik pada teknologi itu! dan maaf saya menyimpang dari titik langsung pertanyaan.

— Solar Mike

Ya, tabung vakum digunakan. Ketika saya berada di Angkatan Laut di awal 80-an kami memiliki radar yang desainnya kembali ke awal 1950-an (AN / SPS-10) yang awalnya dirancang menggunakan banyak tabung vakum. Pada saat saya melihatnya tabung hampa sebagian besar telah diganti dengan modul solid-state yang dipasang ke soket yang sama dan melakukan pekerjaan yang sama, tetapi yang berisi komponen solid-state untuk keandalan yang lebih besar.

— Bob Jarvis - Reinstate Monica

1

Sudah ada beberapa jawaban bagus di sini, tetapi saya hanya ingin menambahkan bahwa mungkin, dengan radar modern dalam pikiran, Anda meremehkan betapa bermanfaatnya peringatan dini pada saat itu, betapapun tidak akurat, bahkan dari awal instalasi (yang saya percaya menggunakan antena tetap sederhana). Sangat penting untuk membuat pejuang yang mencegat - dengan bahan bakar terbatas - ke ketinggian pada waktu yang tepat. Saya juga curiga bahwa operator yang berpengalaman akan belajar cara mendapatkan informasi yang mengejutkan bahkan dari tampilan primitif seperti yang ditunjukkan pada tautan Barry.

— peterG

Anehnya, Jerman tidak pernah menggunakan tampilan area berputar seperti yang dilakukan Inggris. Mereka menggunakan tampilan disatance dan sudut yang terpisah - sistem yang lebih rendah dalam banyak kasus karena display yang berputar lebih baik memungkinkan sistem mata-otak untuk menambah nilai.

— Russell McMahon

39

Tampilan radar PPI (plan position indicator) dasar - jenis yang memiliki garis terang yang menyapu layar melingkar seperti jarum detik pada jam - bekerja berdasarkan prinsip bahwa elektronik menghasilkan "sapuan" berkas elektron dalam jalur radial, sedangkan sinyal dari penerima radar mengontrol intensitasnya. Setiap kali sinyal kuat diterima, titik terang dibuat di layar. Posisi "blip" berhubungan langsung dengan posisi target yang menciptakannya di dunia nyata.

Sirkuit analog pada zaman itu dapat dengan mudah memiliki bandwidth 10 MHz atau lebih, memungkinkan resolusi jangkauan sekitar 15 meter (50 kaki) atau lebih. (Ingatlah bahwa sinyalnya harus melakukan dua kali perjalanan, sehingga Anda mendapatkan dua kali resolusi yang mungkin Anda harapkan.) Katakan bahwa kisarannya diatur ke 75 km (sekitar 45 mil). Sinyal akan memakan waktu sekitar 0,5 ms untuk kembali ke penerima pada kisaran maksimum, yang berarti bahwa untuk setiap pulsa yang ditransmisikan, berkas elektron pada layar harus bergerak dari tengah ke tepi layar dalam jumlah waktu tersebut. Sirkuit untuk melakukan ini tidak lebih rumit daripada generator sapuan horizontal osiloskop biasa. Pengaturan jarak pendek membutuhkan penyapuan yang lebih cepat, tetapi masih masuk akal.

Output dari generator pulsa juga dapat ditambahkan ke sinyal intensitas untuk membuat rentang "penanda" pada layar - lingkaran konsentris yang memberikan operator cara yang lebih baik untuk menilai jarak ke target.

Generator gigi gergaji menyediakan sinyal sapuan dasar dari tengah ke tepi layar. Ada beberapa cara untuk membuatnya berputar secara sinkron dengan posisi fisik antena. Versi paling awal sebenarnya memutar gulungan defleksi secara mekanis di sekitar leher layar CRT. Model kemudian menggunakan potensiometer khusus yang memiliki fungsi sinus dan cosinus yang dibangun di dalamnya - sinyal sapuan (dan komplemennya) diaplikasikan ke terminal akhir, penghapus diputar oleh motor sinkron, dan dua ketukan memberikan sinyal ke (sekarang diperbaiki) pelat defleksi X dan Y. Namun kemudian, modulasi sinus / kosinus ini dilakukan sepenuhnya secara elektronik.

Salah satu masalah adalah bahwa tampilan ini tidak terlalu cerah, terutama karena fosfor yang bertahan lama digunakan untuk menghasilkan gambar yang "bertahan" cukup lama untuk berguna. Mereka harus digunakan di ruangan yang gelap, kadang-kadang dengan tudung di atasnya yang bisa dilihat oleh operator. Saya tidak hidup selama Perang Dunia II, tetapi saya melakukan beberapa pekerjaan pada awal 1980-an pada sebuah chip yang dapat mendigitalkan dan "merasterisasi" sinyal dari perangkat radar sehingga dapat ditampilkan pada monitor TV konvensional. Monitor seperti itu dapat dibuat lebih terang (fosfor persistensi pendek) - cukup terang untuk digunakan langsung di menara kontrol bandara, misalnya, sehingga operator menara tidak perlu bergantung pada pesan verbal dari operator radar yang terpisah. di ruangan lain. Chip itu bahkan mensimulasikan "peluruhan lambat" fungsi tampilan analog. Saat ini, setiap osiloskop digital murah memiliki fitur "kegigihan variabel" ini. :-)

Secara alami, saya harus mensimulasikan pemindaian radial dari tampilan analog ketika menulis sinyal penerima ke dalam buffer bingkai video. Saya menggunakan ROM untuk mengubah posisi sudut antena yang dilaporkan menjadi nilai sinus / cosinus, yang diumpankan ke sepasang generator DDS untuk menghasilkan urutan alamat memori X dan Y untuk setiap sapuan.

— Dave Tweed
sumber

3

Apakah perangkat RADAR pada zaman itu benar-benar menggunakan indikator posisi-rencana? Sebagian besar video dan foto yang saya lihat menunjukkan tampilan osiloskop tradisional.

— AndrejaKo

1

@AndrejaKo mereka tersedia pada awal 1940, tapi jelas tidak universal. Sistem tanpa mereka, sejauh yang saya mengerti, akan memiliki kontrol manual dari arah antena sehingga operator dapat menemukan titik yang memberikan kekuatan blip maksimum.

— hobbs

Set awal memang menggunakan tampilan sumbu tunggal. Jawaban yang bagus.

— Trevor_G

9

Apakah ini membutuhkan tabung vakum?

Lingkup analog tradisional pada dasarnya adalah tabung hampa udara (CRT) dengan gigi gergaji timebase dan sinyal diterapkan langsung ke pelat horizontal dan vertikal untuk mengarahkan balok ke lokasi bergerak di layar.

Tabung vakum juga akan digunakan dalam sirkuit penguat untuk menghasilkan tegangan besar yang dibutuhkan pada pelat untuk memindahkan balok.

AFAIK, setiap ruang lingkup era WWII bekerja berdasarkan prinsip ini, sehingga tabung hampa udara merupakan bagian inheren dari desain ruang lingkup.

Apa yang ingin saya ketahui adalah bagaimana akurasi milidetik diintegrasikan ke dalam osiloskop sehingga operator manusia secara visual dapat melihat perbedaan 1 ms.

Lendutan horizontal didorong oleh gelombang gigi gergaji. Kecepatan perubahan gigi gergaji ini menentukan penskalaan antara waktu dan posisi horizontal di layar. Dalam cakupan hari ini, penskalaan dapat di mana saja dari beberapa picoseconds per sentimeter ruang layar hingga berjam-jam per sentimeter. Pada tahun 1940-an, skala tertinggi tidak akan menjadi picoseconds per sentimeter, tetapi bisa jadi itu adalah microseconds per sentimeter.

Jelas ada sedikit kerumitan ekstra dalam tampilan radar tradisional di mana sumbu "horizontal" (timebase, sesuai dengan jangkauan dalam sistem radar) diputar di sekitar tengah layar untuk menunjukkan posisi antena saat diputar, dan saya Saya tidak yakin bagaimana ini dapat dicapai (saya bisa membayangkan beberapa kemungkinan yang berbeda). Tetapi ini tidak mengubah titik fundamental bahwa resolusi "jangkauan" radar di layar hanya akan ditentukan oleh seberapa cepat tegangan pelat defleksi "horisontal" ditingkatkan.

— Foton
sumber

Rotasi ditangani dengan hanya memiliki koil defleksi itu sendiri berputar di sekitar layar.

— supercat

@ supercat, jawaban Dave mengatakan bahwa itu dilakukan dalam sistem awal tetapi yang kemudian diterapkan sinyal sinus dan kosinus ke deflektor X dan Y. Jika Anda tidak setuju, Anda mungkin harus mengomentari jawabannya, bukan jawaban saya.

— The Photon

Ketika elektronik menjadi lebih canggih, menjadi praktis untuk menghasilkan sinyal XY, tetapi memutar koil defleksi adalah pendekatan yang sederhana dan praktis untuk menghasilkan tampilan kutub menggunakan elektronik era 1940-an.

— supercat

@ supercat, komentar ini mungkin lebih masuk akal pada jawaban Dave daripada saya.

— The Photon

Saya merespons paragraf terakhir Anda.

— supercat

5

Radar SCR-270 yang hadir di Pearl Harbor pada 7 Desember 1941 memiliki karakteristik sebagai berikut:

Frekuensi Pengiriman: 105 MHz
Lebar pulsa: 10-25 µsec
Tingkat pengulangan: 621 Hz
Level Daya: 100 kW
Kisaran maksimum: 250 mil
Akurasi: 4 mil, 2 derajat

Ini menggunakan sejumlah besar tabung vakum termasuk CRT (Seluruh radar ditempati 4 trailer besar). Tautan berikut menunjukkan jejak osiloskop yang sebenarnya ketika pesawat Jepang yang mendekat terdeteksi:

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

— Barry
sumber

Saya mencoba menemukan gambar skala abu-abu yang lebih baik dari jejak lingkup itu. Sementara itu, inilah gambar dari cakupan itu sendiri . Inilah tautan bagus lainnya . Tanda ini ( sumber ) menunjukkan gambar yang sama, tetapi teks menyarankan bahwa itu adalah penciptaan ulang.

— Dave Tweed

4

Pertimbangkan tabung vakum 12SK7: gram 0,002, resistansi pelat 0,8MegOhms, kisi kapasitansi 6pF, kapasitansi keluaran (pelat) 7pF.

Prediksi bandwidth oleh gm / C. Asumsikan nodal C adalah 6p + 7p + 7p parasit = 20pF.

Bandwidth adalah 0,002 / 20e-12 = 0,0001 * e + 12 = 1e + 8 = 100MegaRadians / detik atau 16MHz; menggunakan aturan praktis Tektronix sebesar 0,35 / bandwidth untuk respon sistem multi-tahap, atau 0,35 / 16MHz, Trise adalah 20 menit; 20nS menyediakan 20 kaki satu arah, 10 kaki 2 arah, resolusi.

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

— analogsystemsrf
sumber

.... Biarkan ada cascode : dan ada bandwidth .

— carloc

2

Jika saya mengerti dengan benar, pertanyaannya adalah tentang bagaimana elektronik layar radar dapat secara akurat mengatasi kecepatan cahaya. Di sini saya akan menunjukkan bahwa tampilan elektronik radar dapat berjalan lebih lambat dari yang Anda harapkan.

Katakanlah radar dirancang untuk jarak 100 mil. Pembulatan untuk kenyamanan, ini sekitar 160 km.

Seperti yang Anda catat, gelombang radar bergerak sekitar 3e8 meter per detik. Jadi waktu yang dibutuhkan gelombang radar untuk melakukan perjalanan ke jangkauan maksimumnya adalah:

160 k m \times \frac{s}{3 e 8 m} = 0,53 m s

$160{\rm{k m}} \times \frac{{\rm{s}}}{{3{\rm{e}}8{\rm{ m}}}} = 0.53{\rm{ ms}}$ Gandakan itu untuk mendapatkan waktu pulang pergi, dan Anda mendapatkan sekitar 1 milidetik.

Seperti yang Anda catat juga, defleksi X dan Y pada tampilan lingkup dikendalikan oleh input tegangan independen. Mari kita pertimbangkan pengaturan a-scope sederhana . Jalankan defleksi X dari sirkuit yang menghasilkan sapuan dari -V ke + V (paling kiri ke kanan pada tampilan). (Ini kemungkinan besar merupakan rangkaian tabung.) Sirkuit ini dirancang sedemikian rupa sehingga total waktu yang dibutuhkan untuk beralih dari rel ke rel adalah 1ms. Sapuan ini kemungkinan akan dipicu oleh sinyal waktu yang sama yang memicu transmisi radar.

Lendutan Y diumpankan oleh penerima radar. Blip akan muncul pada posisi sweep apa pun ketika refleksi diterima. Akibatnya, refleksi kemudian dirasakan oleh penerima, semakin jauh ke kanan blip muncul di layar.

Yang perlu diperhatikan adalah bahwa ketika gelombang radar bergerak 200 mil (di sana dan kembali lagi), titik pada tampilan ruang lingkup hanya harus berjalan beberapa inci! Dalam hal ini, tampilan elektronik dapat berjalan jauh lebih lambat daripada "kecepatan cahaya." Sapuan 1ms mudah dicapai dalam elektronik tabung. Ini adalah kelas teknologi yang sama dengan memperkuat sinyal audio. Sebagai perbandingan, periode sapuan horizontal yang digunakan di setiap televisi NTSC lama adalah sekitar 0,064 ms.

Sistem radar dapat dikalibrasi dengan menempatkan target pada rentang yang diketahui dan menyesuaikan sirkuit sehingga jumlah yang ditampilkan sesuai dengan kebenaran di lapangan. (Mengkalibrasi sistem pasti merupakan bentuk seni!)

— gnarledRoot
sumber

-1

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

Salah satu caranya adalah memodulasi sinyal radar dengan gelombang sinus, dan kemudian mengukur perbedaan fase sinyal modulasi antara sinyal yang dikirim dan yang dikembalikan - perbedaan ini selalu sebanding dengan jarak. Kelemahannya adalah bahwa kembalinya dari beberapa gema akan mengganggu, dan membuat sinyal kembali yang menunjukkan jarak di suatu tempat di tengah di antara keduanya.

Model selanjutnya akan menggunakan radar "kicauan", di mana frekuensi modulasi akan menjadi gigi gergaji, memungkinkan gema yang berbeda dibedakan dan jarak ke masing-masing diukur secara akurat.

— Simon Richter
sumber

radar "kicauan", di mana frekuensi modulasi akan menjadi gigi gergaji yang tidak begitu, gigi gergaji adalah apa yang akan Anda dapatkan jika Anda merencanakan frekuensi dari kurva waktu .

— Bimpelrekkie

Ya, maaf jika itu tidak jelas. Ini FM dengan sinyal input gigi gergaji. Perubahan fase adalah kuadratik, sehingga setiap pengembalian akan memiliki puncaknya sendiri dalam spektrum.

— Simon Richter

1

@Bimpelrekkie katanya "frekuensi gigi gergaji" bukan "sinyal gigi gergaji"

— user253751