DE910170C - Method of measuring distances using a device for ultra-high frequency electromagnetic waves - Google Patents

Description

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.Method for measuring distances with the aid of an ultra-high frequency device electromagnetic waves The invention relates to a method for distance measurement with the aid of a device for ultra-high frequency electromagnetic waves, in particular Decimeter or centimeter waves on one of the objects whose distance to be determined from each other, is arranged. In particular, the Invention of a device for determining the altitude of an aircraft, in the case of the transmitter and receivers are arranged on the aircraft. According to the invention of a Object to the other object emitted electromagnetic wave in their Frequency swept along a sine curve. The second item, e.g. B. on the ground, reflected wave is received again at the first object and with the direct one Shaft brought to superposition. The superposition takes place in a bridge arrangement, and the lower-frequency directional current that arises there becomes after suitable amplification fed to an inductance di, in which a quantity arises depending on dt, which is used to display the distance.

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. There are already methods known in which the frequency of the generator is modulated linearly over time according to a sawtooth curve. Bring one here in the heterodyne receiver, the one coming directly from the generator with the one reflected Wave to overlay, so, apart from short time intervals at the points of discontinuity in the sawtooth curve, an intermediate frequency that is proportional with the running time and thus also with the route, d. H. with the distance or the Height, grows. This intermediate frequency voltage is now used for the distance or the height above the ground sifted out characteristic frequency. This well-known Procedure has two disadvantages; first, it is not easy to linearize one with time variable carrier frequency, i.e. a frequency modulated according to a sawtooth curve and, secondly, the display option is limited to larger distances, because a pronounced intermediate frequency no longer occurs at short distances can.

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. According to the present invention, these disadvantages are avoided. The sinusoidal frequency sweep can be carried out in a simple manner, and the use of a quantity derived from di enables the distance to be measured up to at very small distances of about 1 m.

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. An embodiment of the invention, namely an altimeter for aircraft, which can also be used for low altitudes, shows schematically Fig. I. An electron tube I with a cavity resonator serves as a generator. the Frequency of the cavity resonator becomes periodic by a special tuning cavity 2 changed. For this purpose, z. B. serve a cavity in which two conductors with beveled Edges face each other, as indicated in Fig. 2 and already suggested elsewhere is. The size R entered there denotes the operating wavelength. The one Conductor 3 is stationary while the other conductor 4 is rotated by the motor 6. This periodically changes the capacitance 5 between the two conductors and thus the frequency is modulated, not according to a sawtooth curve, but rather according to a sine curve. This modulated frequency is transmitted through the line 9 powered radiator Io, which is arranged on one wing, to the ground sent. The wave reflected there is from the radiator I3, the one on the other wing is arranged, received and fed via line 12 to a bridge circuit Iq, in which the tube I5, e.g. B. a duo diode is provided. In this the reflected Oscillation with the one arriving directly from the generator I via the power line ix Oscillator vibration superimposed.

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. There is no need to change the natural frequency of the cavity resonator to be done in the capacitive manner described above. You can instead a displacement body periodically in the electric and magnetic field space be immersed, as has already been suggested in detail elsewhere.

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. With a diode 7 is referred to, which perform a double task Has. Once it serves as a vibration indicator; the other task is to: The periodic change in the capacitance in the tuning cavity 5 creates a additional amplitude modulation, which is undesirable. The diode 7 is now working with the negative feedback amplifier 8 on the generator 1 in such a way that the interfering amplitude modulation is reduced to a tolerable level.

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. The bridge circuit I4, which is the subject of an earlier proposal and is shown in Fig. 3, serves to decouple the oscillator from the receiving antenna, thus prevents the oscillator 1 from radiating via the antenna I3. The antenna oscillation is via a Lecher line and a blocking circuit I6 as well as block capacities I7 of the Duodiode 15 supplied.

Die Oszillatorschwingung wird der Duodiode ebenfalls über eine Lecherleitung zugeführt, und zwar über den Mittelabgriff I8 der Induktivität des Sperrkreises 16.The oscillator oscillation is also transmitted to the duodiode via a Lecher line fed through the center tap I8 of the inductance of the trap circuit 16.

Die Sperrkreise 19 verhindern ein Abfließen der Hochfrequenz in den Zwischenfrequenzkreis.The blocking circuits 19 prevent the high frequency from flowing into the Intermediate frequency circuit.

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.The directional frequency generated by the duo diode 15 is fed to the amplifier 36 via transformers 20, 21. The last stage of the amplifier 36 has a high resistance and is short-circuited via a series connection of a resistor R and a self-induction L (see Fig. I). The current i in this last stage is directly proportional to the light voltage u at the duo diode 15 when the amplifier operates without distortion. The voltage drops across R di and L are therefore proportional to i and dt and thus also to n and du dt. If these quantities R i and L di are now rectified by the rectifiers 37 and 38 and dt ensures that the direct currents flowing out of the rectifiers no longer show any ripples, the exact investigation shows that the quotient of these two direct currents is then that can be written symbolically is directly proportional to the path. The proportionality is retained up to such short walking distances that one can no longer speak of a pronounced intermediate frequency of the oscillator and the reflected wave. This quotient is now displayed in a cross-coil instrument 39, the coils of which are traversed by the perfect direct currents coming from the rectifiers 37 and 38.

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. This means that the quotient given in the procedure described above must remain exactly proportional to the path up to the smallest distances in the amplifier 36 and in the filter means provided after the rectifiers 37 and 38 significant amounts of iron are expended. These amounts of iron are needed to on the one hand to amplify very low frequencies without distortion, on the other hand very much low frequencies in the direct currents flowing through the cross-coil instrument, to suppress.

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.Examination of these relationships shows that there is a clear indication up to walking distances of a few meters is still possible if the amplifier36 Frequencies that are below the frequency with which the wobble is carried out do not more through- leaves. A further simplification of the equipment and savings of weight arises when the downstream rectifiers 37 and 38 are connected Sieve means in the coils 39 of the cross-coil instrument still have a ripple for frequencies allow below the sweep frequency. The averaging is then not done individually at the direct currents originating from rectifiers 37 and 38, but it becomes due to the cross-coil instrument 39, the quotient of these two still fluctuates affected direct currents averaged. This display also proves to be clear and possible, up to walking distances of a few meters. Such low-iron arrangements are especially important for altimeters for airplanes, since they are lightweight particularly goes down.

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. The quotient Q is also distinguished by the fact that it is independent on the amplitude of the reflected wave, d. H. Fluctuations in this amplitude, the z. B. are due to soil influences, do not make themselves in the display noticeable.

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. With the range finder described there is a risk that besides of the wave reflected on the other object from the transmitter antenna IO another one direct wave reaches the receiving antenna I3.

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.This wave naturally has a fixed and of the distance from the other Subject completely independent path and cannot be completely covered by any shielding suppress. So that this wave does not give an indication, is in the power line II, the generator I and the tuning cavity 2 with the bridge circuit 14 and thus connecting to the diode 15, a trumpet-like extract 35 is provided which allows to fine-tune the travel of the oscillator shaft, d. H. to trim in such a way that the oscillator wave and that from the transmitting antenna to the receiving antenna are direct passing wave arrive with as exactly as possible a phase shift in the diode.

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.Namely, under this condition, the directional voltage generated in the diode 15 is and thus also the directional current generated is a minimum. The direct wave is with it largely eliminated in their effect.

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. The new method of distance measurement is in the present case described as an altimeter for aircraft. The invention is not restricted to this, Rather, it can generally be used as a distance measuring method, for. B. on ships or be applied on land.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE. PATENT CLAIMS. I. Verfahren zur Entfernungsmessung mit Hilfe einer Einrichtung für ultrakurze elektromagnetische Wellen, insbesondere Dezimeter- oder Zentimeterwellen, die auf einem der Gegenstände, deren Entfernung bestimmt werden soll, angeordnet ist, insbesondere zur Höhenbestimmung eines Flugzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß die zum anderen Gegenstand ausgesandte elektromagnetische Welle in ihrer Frequenz sinusförmig gewobbelt und die dort reflektierte Welle am ersten Gegenstand wieder empfangen und mit der direkten Welle in einer Brückenanordnung zur Überlagerung gebracht und der hier entstehende niedriger frequente Richtstrom nach geeigneter Verstärkung über einen induktiven Widerstand di geleitet wird, so daß eine von dt (Differentialquotient des Stromes i nach der Zeit t) abhängige Größe zur Anzeige des Abstandes entsteht. I. Procedure for distance measurement with the aid of a device for ultrashort electromagnetic waves, especially decimeter or centimeter waves, placed on one of the objects whose distance is to be determined is, in particular for determining the altitude of an aircraft, characterized in, that the frequency of the electromagnetic wave sent to the other object wobbled sinusoidally and the wave reflected there again on the first object received and superimposed with the direct wave in a bridge arrangement brought and the resulting lower frequency directional current after a suitable Gain is passed through an inductive resistor di, so that one of dt (Differential quotient of the current i after the time t) dependent variable for display of the distance arises. 2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekenndi zeichnet, daß der Quotient einer von dt und einer von i abhängigen Größe, beispielsweise in einem Kreuzspulinstrument, zur Anzeige des Abstandes bzw. der Höhe dient. 2. The method according to claim I, characterized in that the gekenndi Quotient of a quantity dependent on dt and a quantity dependent on i, for example in one Cross-coil instrument, used to display the distance or the height. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu di und zu i proportionalen dt Spannungsabfälle an einer Induktivität und an einem hierzu in Reihe liegenden Ohmschen Widerstand über Gleichrichter an die Spulen eines Kreuzspulinstrumentes angeschlossen werden. 3. The method according to claim 2, characterized in that the to di and dt voltage drops, proportional to i, at an inductance and at one for this purpose in series ohmic resistance via rectifier to the coils of a Cross-coil instrument can be connected. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker auch noch Frequenzen unverzerrt durchläßt, die weit unterhalb der Frequenz liegen, mit welcher die Trägerfrequenz gewobbelt wird. 4. The method according to any one of claims I to 3, characterized in that that the amplifier also lets frequencies through, which are far below, undistorted the frequency with which the carrier frequency is swept. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Sendeantenne direkt zur Empfangsantenne gelangende Welle durch Abstimmung der Energieleitung zwischen Oszillator und Brückenanordnung auf möglichst genau go" Phasenverschiebung in der Brückenanordnung keine Richtspannung erzeugt. 5. The method according to any one of claims I to 4, characterized in that that the wave coming from the transmitting antenna directly to the receiving antenna is achieved by voting the energy conduction between the oscillator and the bridge arrangement as precisely as possible go "phase shift in the bridge arrangement does not generate any directional voltage. 6. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzwobbelung auf kapazitivem Wege durch Rotation eines Leiters erfolgt, der eine abgeschrägte Stirnseite aufweist und einem festen koaxialen Leiter mit ebenfalls abgeschrägter Stirnseite gegenüber angeordnet ist. 6. The method according to claim I, characterized in that the frequency sweep takes place in a capacitive way by rotating a conductor that has a beveled Has end face and a solid coaxial conductor with also beveled Front side is arranged opposite. 7. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzwobbelung durch einen rotierenden Verdrängungskörper im Feldraum eines Hohlraumresonators erfolgt. 7. The method according to claim I, characterized in that the frequency sweep by a rotating displacement body in the field space of a cavity resonator he follows.