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

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?

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.

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 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 .

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

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:

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!)

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

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.