Comment les anciens radars de la Seconde Guerre mondiale mesuraient-ils avec précision le retard et l'intégraient-ils dans un oscilloscope?

La vitesse de la lumière est d'environ 300 000 km par seconde. Une erreur de seulement 1 ms entraînerait un décalage d'environ 300 km, ce qui est beaucoup trop pour un radar. Je suppose qu'il a besoin d'une précision de l'ordre de 10 microsecondes pour obtenir une précision de portée de 3 km.

Ce que je veux savoir, cependant, c'est comment la précision de la microseconde est intégrée dans un oscilloscope afin qu'un opérateur humain puisse visuellement remarquer une différence de 1 ms. Quelle a été la traduction? Par exemple, une différence de 1 microseconde éloigne le blip de 10 millimètres? Je comprends qu'un oscilloscope traduit un signal en tension, mais ce que je ne comprends pas, c'est comment le délai est-il traité et affiché à l'écran? Cela nécessitait-il des tubes à vide?

L'affichage radar de base PPI (plan position indicator) - le type qui a une ligne brillante qui balaie un écran circulaire comme l'aiguille des secondes sur une horloge - fonctionne sur le principe que l'électronique produit le "balayage" du faisceau d'électrons dans un chemin radial, tandis que le signal du récepteur radar contrôle son intensité. Chaque fois qu'un signal fort est reçu, un point lumineux est créé sur l'affichage. La position du "blip" correspond directement à la position de la cible qui l'a créé dans le monde réel.

Les circuits analogiques de cette époque pouvaient facilement avoir une bande passante de 10 MHz ou plus, permettant une résolution de plage de l'ordre de 15 mètres (50 pieds) environ. (Gardez à l'esprit que le signal doit effectuer deux trajets, de sorte que vous obtenez le double de la résolution à laquelle vous pourriez vous attendre.) Supposons que la portée soit réglée sur 75 km (environ 45 miles). Le signal prendra environ 0,5 ms pour revenir au récepteur à la portée maximale, ce qui signifie que pour chaque impulsion transmise, le faisceau d'électrons sur l'écran doit se déplacer du centre vers le bord de l'écran dans ce laps de temps. Le circuit pour ce faire n'est pas plus compliqué que le générateur de balayage horizontal d'un oscilloscope ordinaire. Des paramètres de plage plus courts nécessitent un balayage plus rapide, mais toujours dans des limites raisonnables.

La sortie d'un générateur d'impulsions pourrait également être ajoutée au signal d'intensité pour créer des «marqueurs» de gamme sur l'affichage - des cercles concentriques qui ont donné à l'opérateur une meilleure façon de juger la distance jusqu'à une cible.

Un générateur en dents de scie fournit le signal de balayage de base du centre vers le bord de l'écran. Il y avait plusieurs façons de le faire tourner en synchronisation avec la position physique de l'antenne. Les toutes premières versions ont fait tourner mécaniquement les bobines de déviation autour du cou de l'écran CRT. Les modèles ultérieurs ont utilisé un potentiomètre spécial qui avait des fonctions sinus et cosinus intégrées - le signal de balayage (et son complément) a été appliqué aux bornes d'extrémité, l'essuie-glace a été tourné par un moteur synchrone et les deux robinets ont fourni les signaux au (maintenant fixe) Plaques de déviation X et Y. Plus tard encore, cette modulation sinus / cosinus a été effectuée entièrement électroniquement.

Un problème était que ces écrans n'étaient pas très lumineux, principalement en raison des luminophores à longue persistance utilisés pour produire une image qui "restait" assez longtemps pour être utile. Ils devaient être utilisés dans une pièce sombre, parfois avec des capots sur lesquels l'opérateur pouvait regarder. Je n'étais pas en vie pendant la Seconde Guerre mondiale, mais j'ai travaillé au début des années 80 sur une puce qui pouvait numériser et "pixelliser" le signal d'un radar afin qu'il puisse être affiché sur un moniteur de télévision conventionnel. Un tel moniteur pourrait être rendu beaucoup plus lumineux (phosphores à courte persistance) - suffisamment lumineux pour être utilisé directement dans la tour de contrôle d'un aéroport, par exemple, de sorte que l'opérateur de la tour n'ait pas besoin de s'appuyer sur les messages verbaux d'un opérateur radar distinct dans une autre pièce. La puce a même simulé la "décroissance lente" fonction de l'affichage analogique. De nos jours, chaque oscilloscope numérique bon marché possède cette fonction de "persistance variable". :-)

Naturellement, j'ai dû simuler le balayage radial de l'affichage analogique lors de l'écriture du signal du récepteur dans le tampon de trame vidéo. J'ai utilisé une ROM pour convertir la position angulaire rapportée de l'antenne en valeurs sinus / cosinus, qui ont été transmises à une paire de générateurs DDS pour produire une séquence d'adresses mémoire X et Y pour chaque balayage.

Cela nécessitait-il des tubes à vide?

Un oscilloscope analogique traditionnel est essentiellement un tube à vide (le CRT) avec la dent de scie de la base de temps et le signal appliqué directement aux plaques horizontales et verticales pour diriger le faisceau vers un emplacement mobile sur l'écran.

Des tubes à vide auraient également été utilisés dans les circuits amplificateurs pour produire les grandes tensions nécessaires sur les plaques pour déplacer le faisceau.

AFAIK, chaque portée de l'ère de la Seconde Guerre mondiale a travaillé sur ce principe, donc les tubes à vide faisaient partie intégrante de la conception de la portée.

Ce que je veux savoir, cependant, c'est comment la précision en millisecondes est intégrée dans un oscilloscope afin qu'un opérateur humain puisse visuellement remarquer une différence de 1 ms.

La déviation horizontale a été provoquée par une onde en dents de scie. La vitesse de balayage de cette dent de scie a déterminé l'échelle entre le temps et la position horizontale sur l'écran. Dans une portée de jour actuelle, la mise à l'échelle peut aller de quelques picosecondes par centimètre d'espace d'écran à des heures par centimètre. Dans les années 40, l'échelle la plus élevée n'aurait pas été de picosecondes par centimètre, mais elle aurait très bien pu être de microsecondes par centimètre.

De toute évidence, il y a un peu de complexité supplémentaire dans l'affichage radar traditionnel où l'axe "horizontal" (base de temps, correspondant à la portée dans un système radar) tourne autour du centre de l'écran pour indiquer le cap de l'antenne pendant sa rotation, et je Je ne sais pas comment cela a été accompli (je peux imaginer quelques possibilités différentes). Mais cela ne change pas le point fondamental selon lequel la résolution "portée" du radar sur l'écran serait simplement déterminée par la vitesse à laquelle la tension de la plaque de déviation "horizontale" a été augmentée.

Le radar SCR-270 qui était présent à Pearl Harbor le 7 décembre 1941 avait les caractéristiques suivantes:

• Fréquence de transmission: 105 MHz
• Largeur d'impulsion: 10-25 µsec
• Taux de répétition: 621 Hz
• Niveau de puissance: 100 kW
• Portée maximale: 250 miles
• Précision: 4 milles, 2 degrés

Il a utilisé un grand nombre de tubes à vide, y compris un tube cathodique (l'ensemble du radar occupait 4 grandes remorques). Le lien suivant montre la trace réelle de l'oscilloscope lorsque les avions japonais en approche ont été détectés:

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

Considérez le tube à vide 12SK7: gm de 0,002, résistance de plaque de 0,8 MegOhms, capacité de grille de 6pF, capacité de sortie (plaque) de 7pF.

Prédisez la bande passante par gm / C. Supposons que le C nodal est 6p + 7p + 7p parasite = 20pF.

La bande passante est de 0,002 / 20e-12 = 0,0001 * e + 12 = 1e + 8 = 100MegaRadians / seconde ou 16MHz; en utilisant la règle empirique de Tektronix de 0,35 / bande passante pour la réponse des systèmes à plusieurs étages, ou 0,35 / 16 MHz, la Trise est de 20 nanosecondes; 20nS offrant une résolution de 20 pieds unidirectionnelle, 10 pieds bidirectionnelle.

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

Si je comprends bien, la question est de savoir comment l'électronique d'affichage radar peut gérer avec précision les vitesses d'éclairage. Ici, je vais montrer que l'électronique d'affichage radar peut fonctionner plus lentement que vous ne le pensez.

Disons que le radar est conçu pour une portée de 100 miles. Arrondi pour plus de commodité, il s'agit d'environ 160 km.

Comme vous l'avez noté, l'onde radar se déplace à environ 3e8 mètres par seconde. Ainsi, le temps nécessaire à l'onde radar pour atteindre sa portée maximale est:

Comme vous l'avez également noté, les déflexions X et Y de l'écran de l'oscilloscope sont contrôlées par des entrées de tension indépendantes. Prenons une configuration simple a-scope . Exécutez la déviation X à partir d'un circuit qui génère un balayage de -V à + V (de gauche à droite sur l'affichage). (Il s'agissait très probablement d'un circuit à tubes.) Le circuit est conçu pour que le temps total nécessaire pour passer d'un rail à l'autre soit de 1 ms. Ce balayage serait probablement déclenché par le même signal de synchronisation qui déclenche la transmission du radar.

La déviation Y est alimentée par le récepteur radar. Le blip apparaîtra quelle que soit la position de balayage lors de la réception de la réflexion. Par conséquent, plus une réflexion est détectée tardivement par le récepteur, plus le blip apparaît à droite sur l'écran.

La chose à noter est que tandis que l'onde radar parcourt 200 miles (aller-retour), le point sur l'écran de l'oscilloscope n'a qu'à parcourir quelques pouces! En ce sens, l'électronique d'affichage peut fonctionner beaucoup plus lentement que la «vitesse de la lumière». Un balayage de 1 ms est facilement obtenu dans l'électronique des tubes. Il s'agit de la même classe technologique que l'amplification des signaux audio. A titre de comparaison, la période de balayage horizontal utilisée dans tous les anciens téléviseurs NTSC était d'environ 0,064 ms.

Le système radar peut être calibré en plaçant une cible à une distance connue et en ajustant les circuits de sorte que les quantités affichées correspondent à la vérité du sol. (L'étalonnage du système doit avoir été une forme d'art!)

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

Une façon consiste à moduler le signal radar avec une onde sinusoïdale, puis à mesurer la différence de phase du signal de modulation entre le signal transmis et le signal renvoyé - cette différence est toujours proportionnelle à la distance. L'inconvénient est que le retour de plusieurs échos interfère et crée un signal de retour qui montre une distance quelque part au milieu entre les deux.

Les modèles ultérieurs utiliseraient un "gazouillis" radar, où la fréquence de modulation serait une dent de scie, permettant de distinguer différents échos et de mesurer la distance de chacun avec précision.