¿Cómo los radares antiguos de la Segunda Guerra Mundial midieron con precisión el retraso de tiempo e integraron esto en un osciloscopio?


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La velocidad de la luz es de unos 300,000 km por segundo. Un error de solo 1 ms daría como resultado una desactivación de aproximadamente 300 km, que es demasiado error para un radar. Supongo que necesita una precisión del orden de 10 microsegundos para obtener una precisión de alcance de 3 km.

Sin embargo, lo que quiero saber es cómo se integra la precisión de microsegundos en un osciloscopio para que un operador humano pueda notar visualmente una diferencia de 1 ms. ¿Cuál fue la traducción? Por ejemplo, ¿una diferencia de 1 microsegundo pone el blip a 10 milímetros de distancia? Entiendo que un osciloscopio traduce una señal en voltaje, pero lo que no entiendo es, ¿cómo se procesa el tiempo de demora y se muestra en la pantalla? ¿Esto requiere tubos de vacío?


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Visité las cuevas de tiza de Dover hace unos años y había muchas instalaciones de radar alrededor de la costa que se superponían, por lo que una combinación de señales y también fueron respaldados por los observadores en el suelo ... Al parecer, teníamos un buen agarre en la tecnología entonces! y lamento haberme desviado del punto directo de la pregunta.
Solar Mike

Sí, se usaron tubos de vacío. Cuando estaba en la Marina a principios de los años 80, teníamos radares cuyo diseño se remontaba a principios de los años 50 (AN / SPS-10) y que originalmente se diseñaron utilizando muchos tubos de vacío. Cuando los vi, los tubos de vacío habían sido reemplazados en su mayor parte por módulos de estado sólido que encajaban en los mismos enchufes e hicieron el mismo trabajo, pero que contenían componentes de estado sólido para una mayor confiabilidad.
Bob Jarvis - Restablece a Mónica el

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Ya hay algunas buenas respuestas aquí, pero me gustaría agregar que tal vez, con los radares modernos en mente, usted está subestimando cuán útil hubiera sido cualquier tipo de alerta temprana en ese momento, aunque fuera inexacta, incluso desde el principio instalaciones (que creo que usaban una antena fija simple). Era crucial llevar a los combatientes interceptores, con combustible limitado, a la altitud en el momento adecuado. También sospecho que un operador experimentado aprendería cómo obtener una cantidad sorprendente de información incluso desde una pantalla primitiva como la que se muestra en el enlace de Barry.
PeterG

Sorprendentemente, los alemanes nunca utilizaron la pantalla de área giratoria que hicieron los británicos. Utilizaron pantallas separadas de ángulo y desacuerdo, un sistema inferior en la mayoría de los casos, ya que la pantalla giratoria permite que el sistema ojo-cerebro agregue valor.
Russell McMahon

Respuestas:


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La pantalla básica de radar PPI (indicador de posición del plan), del tipo que tiene una línea brillante que se extiende alrededor de una pantalla circular como la manecilla de un reloj, funciona según el principio de que la electrónica produce el "barrido" del haz de electrones en un ruta radial, mientras que la señal del receptor de radar controla su intensidad. Cada vez que se recibe una señal fuerte, se crea un punto brillante en la pantalla. La posición del "blip" corresponde directamente a la posición del objetivo que lo creó en el mundo real.

Los circuitos analógicos de esa época podrían tener fácilmente un ancho de banda de 10 MHz o más, permitiendo una resolución de rango del orden de 15 metros (50 pies) más o menos. (Tenga en cuenta que la señal tiene que hacer dos viajes, por lo que obtendrá el doble de la resolución que de otro modo podría esperar). Suponga que el alcance se establece en 75 km (aproximadamente 45 millas). La señal tardará aproximadamente 0,5 ms en volver al receptor en el rango máximo, lo que significa que por cada pulso transmitido, el haz de electrones en la pantalla debe moverse desde el centro hasta el borde de la pantalla en ese período de tiempo. El circuito para hacer esto no es más complicado que el generador de barrido horizontal de un osciloscopio ordinario. Las configuraciones de rango más corto requieren un barrido más rápido, pero aún dentro de lo razonable.

La salida de un generador de impulsos también podría agregarse a la señal de intensidad para crear "marcadores" de rango en la pantalla, círculos concéntricos que le dieron al operador una mejor manera de juzgar la distancia a un objetivo.

Un generador de dientes de sierra proporciona la señal de barrido básica desde el centro hasta el borde de la pantalla. Había varias formas de hacer que girara en sincronía con la posición física de la antena. Las versiones más antiguas en realidad giraron mecánicamente las bobinas de desviación alrededor del cuello de la pantalla CRT. Los modelos posteriores utilizaron un potenciómetro especial que tenía incorporadas funciones seno y coseno: la señal de barrido (y su complemento) se aplicó a los terminales finales, el limpiaparabrisas fue accionado por un motor síncrono, y los dos toques proporcionaron las señales al (ahora fijo) Placas de deflexión X e Y. Más tarde aún, esta modulación seno / coseno se realizó completamente por vía electrónica.

Un problema fue que estas pantallas no eran muy brillantes, principalmente debido a los fósforos de larga persistencia utilizados para producir una imagen que "se demoró" lo suficiente como para ser útil. Tenían que usarse en una habitación oscura, a veces con capuchas sobre las cuales el operador podía mirar. No estaba vivo durante la Segunda Guerra Mundial, pero trabajé un poco a principios de la década de 1980 en un chip que podía digitalizar y "rasterizar" la señal de un conjunto de radar para que pudiera mostrarse en un monitor de TV convencional. Tal monitor podría hacerse mucho más brillante (fósforos de persistencia corta), lo suficientemente brillante como para usarse directamente en la torre de control de un aeropuerto, por ejemplo, de modo que el operador de la torre no necesitara confiar en mensajes verbales de un operador de radar separado en otra habitacion. El chip incluso simuló la "descomposición lenta" función de la pantalla analógica. Hoy en día, cada osciloscopio digital barato tiene esta característica de "persistencia variable". :-)

Naturalmente, tuve que simular el escaneo radial de la pantalla analógica al escribir la señal del receptor en el búfer de cuadros de video. Utilicé una ROM para convertir la posición angular reportada de la antena en valores seno / coseno, que se alimentaron a un par de generadores DDS para producir una secuencia de direcciones de memoria X e Y para cada barrido.


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¿Los dispositivos RADAR de la época realmente usaban indicadores de posición del plan? La mayoría de los videos y fotos que he visto muestran una pantalla de osciloscopio tradicional.
AndrejaKo

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@AndrejaKo estaban disponibles desde 1940, pero definitivamente no eran universales. Los sistemas sin ellos, por lo que yo entiendo, tendrían un control manual de la dirección de la antena para que un operador pudiera encontrar el apunte que proporcionara la máxima fuerza de falla.
hobbs

Las primeras series sí utilizaron pantallas de un solo eje. Gran respuesta sin embargo.
Trevor_G

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¿Esto requiere tubos de vacío?

Un telescopio analógico tradicional es esencialmente un tubo de vacío (el CRT) con la base de tiempo de diente de sierra y la señal que se aplica directamente a las placas horizontales y verticales para dirigir el haz a una ubicación en movimiento en la pantalla.

Los tubos de vacío también se habrían utilizado en los circuitos amplificadores para producir los voltajes grandes necesarios en las placas para mover el haz.

AFAIK, cada alcance de la era de la Segunda Guerra Mundial trabajó en este principio, por lo que los tubos de vacío eran una parte inherente del diseño del alcance.

Sin embargo, lo que quiero saber es cómo se integra la precisión de milisegundos en un osciloscopio para que un operador humano pueda notar visualmente una diferencia de 1 ms.

La desviación horizontal fue impulsada por una onda de diente de sierra. La velocidad de rotación de este diente de sierra determinó la escala entre el tiempo y la posición horizontal en la pantalla. En un ámbito de día actual, la escala puede ser desde unos pocos picosegundos por centímetro de espacio de pantalla hasta horas por centímetro. En la década de 1940, la escala más alta no habría sido picosegundos por centímetro, pero bien podría haber sido microsegundos por centímetro.

Obviamente, hay un poco de complejidad adicional en la pantalla de radar tradicional donde el eje "horizontal" (base de tiempo, correspondiente al rango en un sistema de radar) gira alrededor del centro de la pantalla para indicar el rumbo de la antena a medida que gira, y yo No estoy seguro de cómo se logró esto (puedo imaginar un par de posibilidades diferentes). Pero esto no cambia el punto fundamental de que la resolución de "alcance" del radar en la pantalla solo estaría determinada por la rapidez con la que se incrementó el voltaje de la placa de desviación "horizontal".


La rotación se manejaba simplemente haciendo que la propia bobina de desviación girara alrededor de la pantalla.
supercat

@supercat, la respuesta de Dave dice que se hizo en los primeros sistemas, pero los posteriores aplicaron señales de seno y coseno a los deflectores X e Y. Si no está de acuerdo, probablemente debería comentar su respuesta, no la mía.
The Photon

A medida que la electrónica se volvió más sofisticada, se volvió práctico generar señales XY, pero rotar la bobina de desviación fue un enfoque simple y práctico para producir una pantalla polar usando electrónica de la era de 1940.
supercat

@supercat, este comentario probablemente tenga más sentido en la respuesta de Dave que en la mía.
El Photon

Estaba respondiendo a tu último párrafo.
supercat

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El radar SCR-270 que estaba presente en Pearl Harbor el 7 de diciembre de 1941 tenía las siguientes características:

  • Frecuencia de transmisión: 105 MHz
  • Ancho de pulso: 10-25 µseg
  • Tasa de repetición: 621 Hz
  • Nivel de potencia: 100 kW
  • Alcance máximo: 250 millas.
  • Precisión: 4 millas, 2 grados

Utilizó una gran cantidad de tubos de vacío, incluido un CRT (todo el radar ocupaba 4 remolques grandes). El siguiente enlace muestra la traza real del osciloscopio cuando se detectaron los planos japoneses que se aproximaban:

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


Estoy tratando de encontrar una mejor imagen en escala de grises de ese rastro de alcance. Mientras tanto, aquí hay una imagen del alcance en sí . Aquí hay otro buen enlace . Este signo ( fuente ) muestra la misma imagen, pero el texto sugiere que es una recreación.
Dave Tweed

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Considere el tubo de vacío 12SK7: gm de 0.002, resistencia de placa de 0.8MegOhms, capacitancia de red de 6pF, capacitancia de salida (placa) de 7pF.

Predecir ancho de banda por gm / C. Suponga que el nodo C es 6p + 7p + 7p parásito = 20pF.

El ancho de banda es 0.002 / 20e-12 = 0.0001 * e + 12 = 1e + 8 = 100MegaRadians / segundo o 16MHz; usando la regla general de Tektronix de 0.35 / ancho de banda para la respuesta de sistemas de etapas múltiples, o 0.35 / 16MHz, el Trise es de 20 nanosegundos; 20nS que proporciona 20 pies de una dirección, 10 pies de 2 vías, resolución.

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


.... Que haya cascode : y había ancho de banda .
carloc

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Si entiendo correctamente, la pregunta es acerca de cómo la electrónica de visualización del radar puede hacer frente con precisión a las velocidades de la luz. Aquí mostraré que la electrónica de la pantalla del radar puede funcionar más lentamente de lo que cabría esperar.

Digamos que el radar está diseñado para un alcance de 100 millas. Redondeando por conveniencia, esto es aproximadamente 160 km.

160kmetro×s3mi8metro=0,53metros

Como también señaló, las desviaciones X e Y de la pantalla del alcance están controladas por entradas de voltaje independientes. Consideremos un alcance simple configuración . Ejecute la desviación X desde un circuito que genera un barrido de -V a + V (de izquierda a derecha en la pantalla). (Lo más probable es que se trate de un circuito tubular). El circuito está diseñado de modo que el tiempo total necesario para ir de riel a riel es de 1 ms. Es probable que este barrido sea activado por la misma señal de temporización que activa la transmisión del radar.

La desviación Y es alimentada por el receptor de radar. El blip aparecerá en cualquier posición de barrido cuando se reciba el reflejo. Como resultado, cuanto más tarde el receptor perciba un reflejo, más a la derecha aparecerá la señal en la pantalla.

Lo que hay que tener en cuenta es que mientras la onda del radar viaja 200 millas (de ida y vuelta), ¡el punto en la pantalla del visor solo tiene que viajar unas pocas pulgadas! En este sentido, la electrónica de la pantalla puede funcionar mucho más lentamente que la "velocidad de la luz". Un barrido de 1 ms se logra fácilmente en la electrónica del tubo. Es la misma clase de tecnología que amplificar señales de audio. A modo de comparación, el período de barrido horizontal utilizado en cada antiguo televisor NTSC fue de aproximadamente 0.064 ms.

El sistema de radar se puede calibrar colocando un objetivo en un rango conocido y ajustando los circuitos para que las cantidades mostradas coincidan con la verdad del terreno. (¡Calibrar el sistema debe haber sido una forma de arte!)


-1

300000kmetros

Una forma es modular la señal del radar con una onda sinusoidal y luego medir la diferencia de fase de la señal de modulación entre la señal transmitida y la señal devuelta; esta diferencia siempre es proporcional a la distancia. La desventaja es que el retorno de múltiples ecos interferirá y creará una señal de retorno que muestra una distancia en algún punto intermedio entre ambos.

Los modelos posteriores usarían un "chirrido" de radar, donde la frecuencia de modulación sería un diente de sierra, permitiendo distinguir diferentes ecos y medir con precisión la distancia a cada uno.


un "chirrido" de radar, donde la frecuencia de modulación sería un diente de sierra Eso no es así, el diente de sierra es lo que obtendría si trazara la curva de frecuencia sobre tiempo .
Bimpelrekkie

Sí, lo siento si eso no estaba claro. Es FM con una señal de entrada de diente de sierra. El cambio de fase es cuadrático, por lo que cada retorno tendrá su propio pico en el espectro.
Simon Richter

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@Bimpelrekkie dijo "la frecuencia es un diente de sierra", no "la señal es un diente de sierra"
user253751
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