DE1246051B - Verfahren zur Peilung von kurzzeitig einfallenden elektromagnetischen Wellen, wie sie beispielsweise bei Gewitterblitzen auftreten - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIs

Deutsche El.: 21 a4 - 48/01

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Äuslegetag:

T26867IXd/2ia4
22. August 1964
3. August 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Peilung von kurzzeitig einfallenden elektromagnetischen WeI^ len, deren Energie in einem breiten Frequenzband liegt. Derartige kurzzeitig einfallende elektromagnetische Wellen treten z. B: im Zusammenhang mit Gewitterblitzen auf. Für die Peilung wird ein gekreuzteSj 360° Azimut umfassendes Richtantennensystem sowie eine Antenne mit Kreisdiagramm verwendet.

Zur Peilung- von Gewitterblitzeil oder sonstigen atmosphärischen Störungen ist es bekannt, ein rotierendes Antennensystem mit zwei senkrecht gekreuzten Rahmenantennen und eine Stabantenne zur Seitenbestimmung zu verwenden. Die Ausgangsspannung der einen Rahmenantenne wird einem »Schreibverstärker« zugeführt, während die Eingangsspannuhg der anderen Rahmenantenne einem sogenannten Sperrverstärker zugeführt wird. Hierdurch wird erreicht^ daß das Peilsystem nur auf atmosphärische Störungen anspricht, die aus der Richtung einfallen, die der jeweiligen Stellung der an den Schreibverstärker angeschalteten. Antenne entspricht. Eine synchron zuf Antennenrotation über das Registrierpapier bewegte Schreibfeder registriert die atmosphärischen Störungen als Punkte.Die Registrierung gestattet einen Überbliek über die Einfallsriehtungen der Störungen in Äbhän- · gigkeit von der Zeit. Diesem bekannten System haftet jedoch der wesentliche Naehteil an; daß nur ein Bruchteil der atmosphärischen Störungen registriert wird, da eine Registrierung nur dann zustande kommt, Wenn die Antenne beim Auftreten der Störung in die entsprechende Richtung ausgerichtet ist. Außerdem ist bei diesem bekannten Verfahren eine Beurteilung der Amplitudengröße praktisch kaum möglich.

Bei einem anderen bekannten Gewitterpeiler werden zwei senkrecht gekreuzte feststehende Rahmenantennen und eine Stabantenne zur Seitenkennung benutzt. Die beiden Rahmenspanmmgen werden über nach Bettag und Phase gleiche Verstärkerungskanäle geführt und dem Ablenksystem einer Kathodenstrahlanzeigeröhre zugeführt. Die Spannung der Stabantenne wird zur Hellstetierimg benutzt. Jede atmospärische Störung wird bei diesem Verfahren auf dem Bildschirm als ein vom Nullpunkt ausgehender Strich registriert, wobei die Richtung dieses Striches die Einfallsrichtung angibt Bei kontinuierlicher Registrierung mit bewegtem Film läßt sich die Einfallsrichtung der Amplitude und der Zeitpunkt jeder einzelnen atmosphärischen Störung bestimmen. Dagegen ist bei der Registrierung mit stehendem Film über längere Zeit nur eine Ablesung des Azimuts des Gewitterherdes möglich. Eine Messung der Amplitudenver-Verf ahren zur Peilung von kurzzeitig
einfallenden elektromagnetischen Wellen,
wie sie beispielsweise
bei Gewitterblitzen auftreten

Anmelder:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ülm/bonäu, Elisabethensir·. 3

Als Erfinder benannt:

Dr. reh nät. Hans Volland, Bonn;

Günter Heydt, Berlin

teilung für die einzelnen Herde ist nicht hlehr möglich.

Die Bestimmung des Ursprüngsörtes der ätindsphärischen Störung kann bei dem bekannten Verfahren dadurch bewirkt werden, daß man gleichzeitig von zwei Orten aus die atmosphärischen Störungen peilt. Für die Auswertung ist jedoch eine ständige Nachrichtenverbindung der beiden Stationen notwendig. Außerdem muß die Auswertung für jede einzelne atmosphärische Störung getrennt Vorgenommen werden. Hierdurch wird der Personalaufwand bei Verwendung derartiger Peilsysteme sehr groß.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Peilverfahren anzugeben, welches derart ausgebildet werden kann, daß einmal eine Aussage über die spektrale Verteilung der Amplituden der atmosphärischen Störungen gewonnen werdeh kann und bei dem aus den an einem Ort gewonnenen Daten auf die Entfernung des Ursprungsortes vom Peilört geschlossen werden kann.

Gemäß der Erfindung wird die Information über die Einfallsrichtung der von einer atmosphärischen Störung herrührenden elektromagnetischen Wellen dadurch gewönnen, daß mit den über ein gekreuztes Richtantennensysterh sowie eine Stäbantenne mit Kreisdiagramm empfangenen kurzzeitigen Signalen Resonanzkreise gleicher Resonanzfrequenz zu Eigenschwingungen angeregt werden; die Ausgangsspäiinungen der beiden den Rahmenantennen zugeordneten Resonanzkreise werden um 90° in der Phase gegeneinander verschoben, und danach wird die Differenz aus den beiden phasenverschobenen Spannungen gewonnen; hiernach wird die Differenz

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zwischen der Phase der Differenzspanmmg und der Phase der von der Antenne mit Kreisdiagramm ausgelösten Spannung gemessen und in Form · einer Gleichspannung dargestellt. Diese Gleichspannung stellt ein Maß für den Einfallswinkel dar.

Das erfindungsgemäße Peilverfahren soll an Hand des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 näher erläutert werden. Es sind zwei senkrecht zueinander stehende Rahmenantennen 1 und 2 sowie als Antenne mit Kreischarakteristik'eine Stabantenne 3 vorgesehen. Die Ausgangsspannungen dieser drei Antennen ergeben sich aus den folgenden Gleichungen:

Ausgangsspannung der einen Rahmenantenne

= C₁

df

(D

Ausgangsspannung der anderen Rahmenantenne

(2)

= C₁ —^- sin φ.

di

Ausgangsspannung der Stabantenne
u_z=C_z- g_(<) = Cs-Z₀- ö(*> ·

(3)

In diesen Gleichungen bedeutet 5(t) die zeitabhängige Größe des'Vektors der magnetischen Feldstärke der atmosphärischen Störung, S ^ die zeitabhängige Größe des Vektors der elektrischen Feldstärke, Z₀ den Feldwiderstand des freien Raumes = 120 πΩ,φ den Winkel zwischen der Rahmenebene der x-Antenne und der Einfallsrichtung der atmosphärischen Störung und C₁ und C₂ Antennenkonstanten. Die Spannungen u_x, % und u_z werden Schwingkreisen 4, 5 und 6 mit einer Resonanzfrequenz ω₀ von z. B. 10 kHz zugeführt; am Ausgang der Resonanzkreise erhält man nach dem Abklingen der atmosphärischen. Störung folgende Spannungen:

; · cos ψ ■ sin (GJ₀ 1 + α) ■ e ^T ,

— C₃

=- C₄

I - sin φ ■ sin (<»„ t + cc) ■ e ^T ,

sin

«)-e ^T ,

ρ)

Die Größen C₃ und C₄ berücksichtigen die Schwingkreisdaten sowie die Konstanten C₁ und C₂ und Z₀. T ist die Abklingzeitkonstante der Schwingkreise, die groß gegenüber der Dauer der atmosphärischen Störung sein muß. Die Größe g_(o)0) ist der Betrag der spektralen Amplitude der atmosphärischen Stoning bei der Kreisfrequenz a>₀, oc ist der Phase der spektralen Amplitude proportional. Die Spannungen Un_x und uuy werden in den Gliedern 7 und 8 um 90° gegeneinander verschoben. Im Glied 9 wird dann die Differenz dieser beiden Spannungen gebildet. Die Differenzspannung u\j, ist durch folgende Gleichung gegeben:

sin

Der Scheitelwert der Spannung u_v ist unabhängig von der Einfallsrichtung. Dagegen wird die Phase dieser Spannung direkt vom Einfallswinkel φ beeinflußt. Nach Verstärkung und Begrenzung in den Gliedern 10 und 11 wird dann die Phasendifferenz zwischen der 'Differenzspannung U₉ und der vom Schwingkreis 4 herrührenden Spannung um gemessen. Diese Messung wird im vorliegenden Fall mit Hilfe eines Flip-Flops 12 mit anschließendem Tiefpaß bzw. Integrierglied 13 vorgenommen. Die Ausgangsspannung Um des Integriergliedes 13 ist proportional dem

ίο Einfallswinkel φ. Der Einfallswinkel wird also durch Messung bzw. Anzeige der Gleichspannung U_m ermittelt.

Ist außer der Information über die Einfallsrichtung auch die spektrale Amplitude der einfallenden Signale von Interesse, so wird zusätzlich eine Anordnung gemäß F i g. 2 verwendet. Es ist eine Stabantenne 14, die identisch mit der Stabantenne 3 sein kann, vorgesehen, deren Ausgangs signal bei Peilung von atmosphärischen Störungen über einen Tiefpaß 15 geführt wird. Dieser Tiefpaß hat die Aufgabe, Frequenzanteile von z. B. über 60 kHz zurückzuhalten, um die Bildung von Spiegelfrequenzen zu vermeiden. An den Tiefpaß schließt sich eine Mischstufe 16 mit zugeordnetem Oszillator 17 an, der beispielsweise in einem Frequenzbereich von 85 bis 130 kHz variiert . werden kann. Die Ausgangsfrequenzen der Mischstufen bewegen sich unter Voraussetzung, daß der anschließende Zwischenfrequenzverstärker 18 eine Eingangsfrequenz von 80 kHz bei 250 Hz Bandbreite aufweist, zwischen 5 und 50 kHz. Die Ausgangssignale des Zwischenfrequenzverstärkers 18 werden einem Gleichrichter 19 zugeführt, dessen Ausgangsgleichspannung U₀, ein Maß für die Größe \g(_m)\ beider eingestellten Empfangsfrequenz ist.

Um beide Werte U_m und ΰ_ω gemeinsam anzeigen zu können, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung folgendes Anzeigeverfahren benutzt: Die Spannung U_m, die ein Maß für die Einfallsrichtung der atmosphärischen Störung darstellt, wird dem einen

+0 Ablenksystem einer Braunschen Röhre zugeführt, z. B. dem Y-Ablenksystem; weiterhin wird die Spannung ύ_ω

■ dem Z-Kanal der Braunschen Röhre zugeführt, und außerdem wird dafür gesorgt, daß der Elektronenstrahl nur dann hellgesteuert wird, wenn die Spannung ύ_ω auf Grund einer gerade vorhandenen Störung ein Maximum hat. Auf dem Bildschirm der Braunschen Röhre wird somit ein Lichtpunkt erzeugt, dessen vertikale Lage seine Einfallsrichtung und dessen horizontale Lage seine spektrale Amplitude anzeigt.

Bei einer Registrierung über eine längere Zeit von z. B. 5 oder 10 Minuten wird die Verteilung der spektralen Amplituden in Abhängigkeit vom Einfallswinkel bei der gerade eingestellten Meßfrequenz in Form von Punkthäufungen sichtbar. Diese Aufzeichnungen können fotografisch festgehalten werden. Die Frequenzabhängigkeit kann durch aufeinanderfolgende Messungen bei verschiedener Frequenz untersucht werden. Hierzu wird die Frequenz des Oszillators 17 auf verschiedene Werte eingestellt. Man erhält auch bei dieser Ausbildung eine eindeutige Zuordnung zwischen Einfallsrichtung und spektraler Verteilung. In den F i g. 3 bis 5 sind mögliche Schirmbilder dargestellt, und zwar wurden diese Bilder nacheinander bei verschiedenen Oszillatorfrequenzen aufgenommen.

Die Punkthäufungen am linken Rand der Bilder, insbesondere der Fig. 3, rühren von kleinen atmosphärischen Störungen her. Von diesen Punkthäufungen heben sich in der F i g. 3 fünf Gewitterherde

Claims (3)

i 246 ab, deren spektrale Verteilung bei der eingestellten Frequenz von 10 kHz aus dem Schirmbild deutlich zu entnehmen ist. Die Schirmbilder der F i g. 4 und 5 wurden bei einer eingestellten Empfangsfrequenz von 5 und 40 kHz aufgenommen. Die Gewitterverteilung ist die gleiche wie in F i g. 3. In den F i g. 4 und 5 sind nur noch die starken Herde erkennbar. Es hat sich gezeigt, daß bei der Auswertung der Registrierung folgender Zusammenhang gilt: JV= JVoe" ~Λ (8) Hierbei ist JV die Zahl der atmosphärischen Störungen, die eine bestimmte Schwelle S überschreiten, JV0 ist die Gesamtzahl der von einem Gewitterherd während der Meßzeit ausgesendeten atmosphärischen Störungen; und A kann als Produkt einer mittleren statistischen Spektralamplitude g0 und der Übertragungsfunktion des Wellenleiters Erdboden—Ionosphäre angesehen werden. In erster Näherung ist A ein Maß für die Entfernung des Gewitterherdes vom Peilort. Zur Ermittlung von A und JV0 wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung folgendes Verfahren vorgeschlagen: Durch die Anzeige, wie sie in den F i g. 3 bis 5 dargestellt ist, verschafft man sich zuerst einen Überblick über die Lage der einzelnen Gewitterherde. Damit hegt die Richtung des einzelnen Gewitterherdes fest. Man verwendet nun beispielsweise eine Richtantenne, die nur aus der Richtung eines einzigen Gewitterherdes empfängt, und führt die empfangenen Signale über Schwellenwertstufen Zählern zu, die jeweils die eine Schwelle übersteigenden atmosphärischen Störungen auszählen. Noch günstiger als die Verwendung einer Richtantenne ist die Verwendung eines Amplitudendiskriminators für die Auswahl. Dieser wählt bei entsprechender Einstellung nur die Störungen aus, bei denen die Spannung Um innerhalb eines bestimmten Intervalls liegt, das der Richtung des auszumessenden Gewitters entspricht. Man erhält somit mehrere Werte N, zu denen bestimmte Werte S gehören. Trägt man diese Werte in ein Koordinatensystem ein, bei dem auf der Ordinate InJV und auf der Abszisse S aufgetragen ist, so erhält man eine Gerade (F i g. 6). Der Schnittpunkt dieser Geraden mit der JV-Ko Ordinate ergibt den Wert JV0, also die Gesamtzahl der von dem betreffenden Gewitterherd während der Meßzeit ausgesendeten atmosphärischen Störungen. Die Zahl JV0 ist ein gutes Maß für die Aktivität des Gewitterherdes.. Λ ist ein Maß für die Steigung der gefundenen Geraden. Sie kann aus der graphischen Darstellung ermittelt werden, wodurch man eine Aussage über die Entfernung des Gewitterherdes vom Peilort erhält. Wie bereits gesagt, stellt die gewonnene Entfernungsinformation nur eine Näherung dar; bei verschiedenen Frequenzen erhält man verschiedene Geraden mit verschiedenen Steigungen, die sichjedochaEeim Punkte JV0 schneiden. Die Tatsache, daß sich also verschiedene Steigungen ergeben, rührt daher, daß der Wert A nicht nur entfernungs-, sondern auch noch frequenzabhängig ist. Die bei den verschiedenen Frequenzen gefundenen Werte für A gestatten eine Aussage über die Entfernung des Gewitterherdes, wenn man vorher einmal mit Hilfe eines anderen Gerätes, das ebenfalls eine Entfernungsmessung gestattet, den verschiedenen A-Werten bei den verschiedenen Frequenzen Entfernungswerte zugeordnet hat. Es ist vorher also eine »Eichung« notwendig. Praktische Erfahrungen mit dem erfindungsgernäßen Verfahren haben gezeigt, daß es möglich ist, Gewitter in Entfernungen von einigen 1000 km zu peilen. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Peilgenauigkeit ist etwa gleich gut wie die Peilgenauigkeit des vorn beschriebenen bekannten Gewitterpeilers. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß der Entfernungsfehler etwa bei 15% liegt. Patentansprüche

1. Verfahren zur Peilung von kurzzeitig einfallenden elektromagnetischen Wellen, deren Energie in einem breiten Frequenzband liegt, z. B. von Gewitterblitzen, unter Verwendung eines gekreuzten, 360° Azimut umfassenden Richtantennensystems sowie einer Antenne mit Kreisdiagramm, dadurch gekennzeichnet, daß mit den über diese Antennen empfangenen kurzzeitigen Signalen Resonanzkreise gleicher Resonanzfrequenz zu Eigenschwingungen angeregt werden, daß die Ausgangsspannungen der beiden den Richtantennen zugeordneten Resonanzkreise um 90° in der Phase gegeneinander verschoben ,werden und danach die Differenz aus den beiden phasenverschobenen Spannungen gebildet wird und daß danach die Differenz zwischen der Phase der Differenzspannung und der Phase der von der Antenne mit Kreisdiagramm ausgelösten Spannung gemessen und in Form einer Gleichspannung dargestellt wird, die ein Maß für den Einfallswinkel darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Phasendifferenz und die Erzeugung der von der Phasendifferenz abhängigen Gleichspannung durch eine Kippstufe mit nachgeschaltetem Integrierglied bewerkstelligt wird, wobei die Kippstufe durch die begrenzte Differenzspannung in seine eine stabile Lage und durch die von der Antenne mit Kreisdiagramm ausgelöste, begrenzte Spannung in seine andere stabile Lage gebracht wird und die Ausgangsspannung der Kippstufe zwischen den beiden Kippvorgängen integriert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Messung der spektralen Amplitude der kurzzeitig einfallenden elektromagnetischen Wellen bei der jeweiligen Meßfrequenz die über eine Antenne mit Rundcharakteristik empfangenen Signale mit der Spannung eines frequenzvariablen Oszillators gemischt, nach der Umsetzung über ein schmalbandiges Filter geführt und danach gleichgerichtet werden und daß die vom Einfallswinkel abhängige Gleichspannung und die von der spektralen Amplitude abhängige Gleichspannung gemeinsam angezeigt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Einfausrichtung abhängige Spannung u₉ dem einen Ablenksystem einer Braunschen Röhre und die von der spektralen Amplitude abhängige Gleichspannung u_m dem anderen Ablenksystem einer · Braunschen Röhre zugeführt sind und daß der Elektronenstrahl der Braunschen Röhre nur bei Auftreten der Spannung _m hellgesteuert wird.

5. Verfahren nach Ansprach 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die 'Größe der spektralen Am-

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plitude der kurzzeitig einfallenden elektromagnetischen Wellen bei verschiedenen Frequenzen durch Einstellung verschiedener Frequenzen am frequenzvariäbien Oszillator gemessen wird.

6. Verfahren nach einem, der Ansprüche 3 bis. 5, dadurch gekennzeichnet; daß nach Feststellung der Einfallsrichtung der kurzzeitig einfallenden elektföiriägnetischen Wellen feines bestimmteü Ürsprung'sorts die Zahl JV der Einfälle aus dieser Einfallsrichtung pro Zeitabschnitt in Abhängigkeit von

der Einfallsamplitude mit Hilfe einer Schwellenwertstüfe mit einstellbarer Schwelle S und eines nachgeschalteten Zählers zum Zwecke der Ermittlung der ein Maß für die Entfernung des Ursprühgsdrtes darstellenden Steigung der sich beim Auftragen von In Nüber 5in einem Koordinaten^ system ergebenden Geraden und/oder des ein Maß für die Aktivität darstellenden, sich aus dem Schnittpunkt dieser Geraden mit der In jV-Koordinate ergebenden Wertes N_a bestimmt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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