Como os radares antigos da Segunda Guerra Mundial mediram com precisão o atraso de tempo e o integraram a um osciloscópio?

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A velocidade da luz é de cerca de 300.000 km por segundo. Um erro de apenas 1 ms resultaria em cerca de 300 km de distância, o que é um erro demais para um radar. Eu acho que ele precisa de precisão da ordem de 10 microssegundos para obter uma precisão de alcance de 3 km.

O que eu quero saber, no entanto, é como a precisão de microssegundos é integrada a um osciloscópio para que um operador humano possa observar visualmente uma diferença de 1 ms. Qual foi a tradução? Por exemplo, uma diferença de 1 microssegundo coloca o ponto a 10 milímetros de distância? Entendo que um osciloscópio converte um sinal em voltagem, mas o que não entendo é: como o atraso é processado e mostrado na tela? Isso requeria tubos de vácuo?

DrZ214
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Eu visitei as cavernas de giz de Dover alguns anos atrás e havia muitas instalações de radar ao redor da costa que se sobrepunham - então, uma combinação de sinais e eles também foram apoiados pelos observadores no chão ... Aparentemente, tivemos uma boa aderência na tecnologia então! e desculpe por ter me desviado do ponto direto da pergunta.
Solar Mike
Sim, foram utilizados tubos de vácuo. Quando eu estava na Marinha, no início dos anos 80, tínhamos radares cujo design remontava ao início dos anos 50 (AN / SPS-10), que foram originalmente projetados usando muitos tubos de vácuo. Quando os vi, os tubos de vácuo haviam sido substituídos na sua maioria por módulos de estado sólido que se encaixavam nos mesmos soquetes e faziam o mesmo trabalho, mas que continham componentes de estado sólido para maior confiabilidade.
Bob Jarvis - Restabelece Monica
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Já existem boas respostas aqui, mas eu gostaria de acrescentar que, talvez, com os radares modernos em mente, você esteja subestimando o quão útil qualquer tipo de alerta precoce teria sido na época, por mais impreciso, mesmo desde o início. instalações (que, acredito, usavam uma antena fixa simples). Era crucial levar os caças interceptadores - com combustível limitado - à altitude no momento certo. Também suspeito que um operador experiente aprenderia a obter uma quantidade surpreendente de informações, mesmo em uma exibição primitiva como a mostrada no link de Barry.
precisa saber é o seguinte
Surpreendentemente, os alemães nunca usaram a exibição da área rotativa que os britânicos fizeram. Eles usaram exibições separadas de disatância e ângulo - um sistema inferior na maioria dos casos, pois a tela rotativa permite melhor ao sistema olho-cérebro agregar valor.
Russell McMahon

Respostas:

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A exibição básica do radar PPI (indicador de posição do plano) - do tipo que possui uma linha brilhante que varre uma tela circular como a segunda mão de um relógio - trabalha com o princípio de que a eletrônica produz a "varredura" do feixe de elétrons em um caminho radial, enquanto o sinal do receptor de radar controla sua intensidade. Sempre que um sinal forte é recebido, um ponto luminoso é criado no visor. A posição do "blip" corresponde diretamente à posição do alvo que o criou no mundo real.

Os circuitos analógicos daquela época poderiam facilmente ter uma largura de banda de 10 MHz ou mais, permitindo uma resolução de alcance da ordem de 15 metros (50 pés) ou mais. (Lembre-se de que o sinal precisa fazer duas viagens, para que você obtenha o dobro da resolução que você poderia esperar.) Diga que o alcance está definido para 75 km (cerca de 45 milhas). O sinal levará cerca de 0,5 ms para retornar ao receptor na faixa máxima, o que significa que, para cada pulso transmitido, o feixe de elétrons na tela deve se mover do centro para a borda da tela nessa quantidade de tempo. O circuito para fazer isso não é mais complicado do que o gerador de varredura horizontal de um osciloscópio comum. As configurações de alcance mais curto exigem varredura mais rápida, mas ainda dentro do razoável.

A saída de um gerador de pulsos também pode ser adicionada ao sinal de intensidade para criar "marcadores" de faixa no visor - círculos concêntricos que deram ao operador uma maneira melhor de avaliar a distância a um alvo.

Um gerador de dente de serra fornece o sinal de varredura básico do centro para a borda da tela. Havia várias maneiras de fazê-lo girar em sincronia com a posição física da antena. As versões mais antigas realmente giravam mecanicamente as bobinas de deflexão ao redor do pescoço da tela do CRT. Os modelos posteriores usaram um potenciômetro especial que possuía funções seno e cosseno - o sinal de varredura (e seu complemento) era aplicado aos terminais finais, o limpador era acionado por um motor síncrono e as duas torneiras forneciam os sinais para o terminal. (agora fixo) placas de deflexão X e Y. Mais tarde ainda, essa modulação seno / cosseno foi feita inteiramente eletronicamente.

Uma questão foi que essas telas não eram muito brilhantes, principalmente por causa dos fósforos de longa persistência usados ​​para produzir uma imagem que "permaneceu" por tempo suficiente para ser útil. Eles tinham que ser usados ​​em uma sala escura, às vezes com capuzes sobre os quais o operador podia espiar. Eu não estava vivo durante a Segunda Guerra Mundial, mas trabalhei no início dos anos 80 em um chip que podia digitalizar e "rasterizar" o sinal de um radar para que pudesse ser exibido em um monitor de TV convencional. Esse monitor poderia ser muito mais brilhante (fósforo de persistência curta) - brilhante o suficiente para ser usado diretamente na torre de controle de um aeroporto, por exemplo, para que o operador da torre não precisasse confiar em mensagens verbais de um operador de radar separado em outra sala. O chip até simulou a "decadência lenta" função do visor analógico. Atualmente, todo osciloscópio digital barato possui esse recurso de "persistência variável". :-)

Naturalmente, tive que simular a varredura radial do monitor analógico ao gravar o sinal do receptor no buffer do quadro de vídeo. Usei uma ROM para converter a posição angular relatada da antena em valores seno / cosseno, que foram alimentados a um par de geradores DDS para produzir uma sequência de endereços de memória X e Y para cada varredura.

Dave Tweed
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Os dispositivos RADAR da época realmente usavam indicadores de posição do plano? A maioria dos vídeos e fotos que eu vi mostram uma tela tradicional de osciloscópio.
precisa saber é o seguinte
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@AndrejaKo eles estavam disponíveis desde 1940, mas definitivamente não são universais. Sistemas sem eles, tanto quanto eu entendo, teriam controle manual da direção da antena para que um operador pudesse encontrar o apontador que dava a máxima força de blip.
Hbbs #
Os primeiros conjuntos de fato usavam telas de eixo único. Ótima resposta embora.
Trevor_G
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Isso requeria tubos de vácuo?

Um escopo analógico tradicional é essencialmente um tubo de vácuo (o CRT), com o dente de serra e o sinal da base de tempo sendo aplicados diretamente nas placas horizontais e verticais para direcionar o feixe para um local em movimento na tela.

Tubos de vácuo também teriam sido usados ​​nos circuitos do amplificador para produzir as grandes tensões necessárias nas placas para mover o feixe.

AFAIK, todos os escopos da era da Segunda Guerra Mundial trabalhavam com esse princípio; portanto, os tubos de vácuo eram uma parte inerente ao design do escopo.

O que eu quero saber, no entanto, é como a precisão de milissegundos é integrada a um osciloscópio para que um operador humano possa observar visualmente uma diferença de 1 ms.

A deflexão horizontal foi acionada por uma onda dente de serra. A taxa de rotação desta serra determinou a escala entre o tempo e a posição horizontal na tela. No escopo atual, a escala pode variar de alguns picossegundos por centímetro de espaço na tela a horas por centímetro. Nos anos 40, a escala mais alta não teria sido em picossegundos por centímetro, mas poderia muito bem ter sido em microssegundos por centímetro.

Obviamente, existe um pouco de complexidade extra na exibição tradicional do radar, onde o eixo "horizontal" (base do tempo, correspondente à faixa em um sistema de radar) é girado em torno do centro da tela para indicar o rumo da antena à medida que ela é girada, e eu não tenho certeza de como isso foi realizado (posso imaginar algumas possibilidades diferentes). Mas isso não muda o ponto fundamental de que a resolução do "alcance" do radar na tela seria determinada pela rapidez com que a tensão da placa de deflexão "horizontal" era aumentada.

O fóton
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A rotação foi realizada simplesmente com a bobina de deflexão girando em torno da tela.
Supercat
@ supercat, a resposta de Dave diz que isso foi feito nos primeiros sistemas, mas depois aplicou sinais seno e cosseno nos defletores X e Y. Se você não concorda, provavelmente deve comentar a resposta dele, não a minha.
O Photon
À medida que a eletrônica se tornou mais sofisticada, tornou-se prático gerar sinais XY, mas girar a bobina de deflexão era uma abordagem simples e prática para produzir uma tela polar usando a eletrônica da década de 1940.
supercat
@ supercat, esse comentário provavelmente faz mais sentido na resposta de Dave do que na minha.
The Photon
Eu estava respondendo ao seu último parágrafo.
Supercat3
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O radar SCR-270 que estava presente em Pearl Harbor em 7 de dezembro de 1941 tinha as seguintes características:

  • Frequência de transmissão: 105 MHz
  • Largura de pulso: 10-25 µsec
  • Taxa de repetição: 621 Hz
  • Nível de potência: 100 kW
  • Alcance máximo: 250 milhas
  • Precisão: 4 milhas, 2 graus

Usava um grande número de tubos de vácuo, incluindo um CRT (todo o radar ocupava 4 grandes reboques). O link a seguir mostra o rastreamento real do osciloscópio quando os aviões japoneses que se aproximavam foram detectados:

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

Barry
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Estou tentando encontrar uma melhor imagem em escala de cinza desse rastreamento de escopo. Enquanto isso, aqui está uma imagem do escopo em si . Aqui está outro bom link .Este sinal ( fonte ) mostra a mesma imagem, mas o texto sugere que é uma recriação.
Dave Tweed
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Considere o tubo de vácuo 12SK7: gm de 0,002, resistência da placa de 0,8MegOhms, capacitância da grade de 6pF, capacitância de saída (placa) de 7pF.

Prever largura de banda por gm / C. Suponha que C nodal seja 6p + 7p + 7p parasítico = 20pF.

A largura de banda é 0,002 / 20e-12 = 0,0001 * e + 12 = 1e + 8 = 100MegaRadians / second ou 16MHz; usando a regra de ouro Tektronix de 0,35 / largura de banda para a resposta de sistemas de vários estágios, ou 0,35 / 16MHz, o Trise é de 20 nanossegundos; 20nS com resolução de 20 pés unidirecional e 10 pés bidirecional.

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

analogsystemsrf
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.... Haja código de casos : e havia largura de banda .
carloc
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Se bem entendi, a pergunta é sobre como a eletrônica do visor do radar pode lidar com precisão com a velocidade da luz. Aqui mostrarei que a eletrônica do visor do radar pode funcionar mais lentamente do que você imagina.

Digamos que o radar seja projetado para um alcance de 160 quilômetros. Arredondando por conveniência, são cerca de 160 km.

Como você observou, a onda do radar viaja a cerca de 3e8 metros por segundo. Portanto, o tempo que a onda do radar leva para atingir seu alcance máximo é:

160km×s3e8m=0,53ms
Dobre isso para obter tempo de ida e volta e você ganha cerca de 1 milissegundo.

Como você também observou, as deflexões X e Y da tela do osciloscópio são controladas por entradas de tensão independentes. Vamos considerar um escopo simples configuração . Execute a deflexão X de um circuito que gera uma varredura de -V a + V (da esquerda para a direita no visor). (Provavelmente era um circuito de tubo.) O circuito foi projetado para que o tempo total gasto entre trilhos seja de 1 ms. Essa varredura provavelmente seria acionada pelo mesmo sinal de tempo que aciona a transmissão do radar.

A deflexão em Y é alimentada pelo receptor de radar. O sinal aparecerá em qualquer posição da varredura quando o reflexo for recebido. Como resultado, quanto mais tarde uma reflexão é detectada pelo receptor, mais à direita o sinal aparece no visor.

O ponto a ser observado é que, enquanto a onda do radar percorre 200 milhas (lá e volta), o ponto na tela do osciloscópio precisa apenas percorrer alguns centímetros! Nesse sentido, os eletrônicos da tela podem funcionar muito mais lentamente que a "velocidade da luz". Uma varredura de 1 ms é facilmente alcançada na eletrônica do tubo. É a mesma classe de tecnologia que a amplificação de sinais de áudio. Para comparação, o período de varredura horizontal usado em todos os aparelhos de televisão NTSC antigos foi de cerca de 0,064 ms.

O sistema de radar pode ser calibrado colocando um alvo em uma faixa conhecida e ajustando os circuitos para que as quantidades exibidas correspondam à verdade do solo. (Calibrar o sistema deve ter sido uma forma de arte!)

gnarledRoot
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Está 300000kms.

Uma maneira é modular o sinal do radar com uma onda senoidal e, em seguida, medir a diferença de fase do sinal de modulação entre o sinal transmitido e o retornado - essa diferença é sempre proporcional à distância. A desvantagem é que o retorno de vários ecos interferirá e criará um sinal de retorno que mostra uma distância em algum lugar no meio entre os dois.

Os modelos posteriores usariam um "chirp" de radar, onde a frequência de modulação seria um dente de serra, permitindo distinguir ecos diferentes e a distância de cada uma delas medida com precisão.

Simon Richter
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um radar "chirp", em que a frequência de modulação seria um dente de serra. Não é assim, o dente de serra é o que você obteria se plotasse a curva de frequência ao longo do tempo .
Bimpelrekkie 1/10/19
Sim, desculpe se isso não estava claro. É FM com um sinal de entrada dente de serra. A mudança de fase é quadrática, portanto, cada retorno terá seu próprio pico no espectro.
Simon Richter
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@Bimpelrekkie ele disse "frequência é um dente de serra" não "sinal é um dente de serra"
user253751