採用用於防反衝天線運動的諧波驅動器的可運輸雷達的製作方法

2023-06-09 08:18:46 1

採用用於防反衝天線運動的諧波驅動器的可運輸雷達的製作方法
【專利摘要】本發明涉及可運輸天氣雷達，其具有：雷達電子器件，其功能性地定位在海拔高度接頭上方；以及框架上部結構，其旋轉地連接到海拔高度接頭，拋物線雷達天線安裝到海拔高度接頭上，以適應於都卜勒天氣雷達應用。雷達具有旋轉驅動組件，其安裝在海拔高度接頭和諧波驅動單元下方並且支撐海拔高度接頭和諧波驅動單元，諧波驅動單元定位在海拔高度接頭中，使得天線可以在旋轉改變期間沒有顯著反衝的情況下進行旋轉。旋轉接頭中的中空中心允許電子器件纜線穿過接頭的中間，並且向下穿過旋轉組件而延伸到雷達基座中或附近的電子器件。
【專利說明】採用用於防反衝天線運動的諧波驅動器的可運輸雷達

【技術領域】
[0001]本發明整體涉及雷達。更具體地，本發明涉及都卜勒雷達，其具有位於海拔高度定位系統之上的所有必要的電氣發射和接收部件。甚至更加具體地，本發明涉及利用諧波驅動器以定位天線組件的天氣雷達。


【發明內容】

[0002]可運輸天氣雷達包括:雷達電子器件，其功能性地定位在海拔高度接頭上方；框架上部結構，其旋轉地連接到海拔高度接頭；旋轉驅動組件，其安裝在海拔高度接頭和驅動組件下方並且支撐海拔高度接頭和驅動組件，雷達天線安裝在海拔高度接頭和驅動組件上；以及諧波驅動單元，其定位在海拔高度接頭中，使得天線可以在旋轉改變期間沒有顯著反衝的情況下進行旋轉。具有中空中心的方位角驅動組件包括用於天線組件的方位角旋轉的諧波驅動組件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0003]在形成本公開的一部分的附圖中示出了結合有本發明的特徵的雷達，其中:
[0004]圖1為整個雷達在其操作取向中的透視圖；
[0005]圖2為雷達在其操作取向中的後部透視圖；
[0006]圖3為上部結構的透視圖，其附接有電子艙室組件，但是移除了雷達天線和波導管；
[0007]圖4A為雷達的俯視圖，示出了雷達部件的位於方位角連接部上方的部分；
[0008]圖4B為雷達的左側正視圖，示出了雷達部件的位於方位角連接部上方的部分；
[0009]圖4C為將左收發器連接到雷達天線的左波導管的俯視透視圖；
[0010]圖4D為將左收發器連接到雷達天線的左波導管的另一個透視圖；
[0011]圖5為安裝到旋轉驅動組件上的海拔高度驅動組件的透視圖，其中框架上部結構和雷達天線被移除；
[0012]圖6為海拔高度驅動組件的分解透視圖，示出了處於組件的前側和後側上的帕爾帖冷卻器；
[0013]圖7為致動器驅動的海拔高度接頭組件的分解透視圖；
[0014]圖7A為與海拔高度驅動組件殼體分離的組裝的致動器驅動的海拔高度接頭組件的插入透視圖；
[0015]圖8為被動式或非驅動的海拔高度接頭組件的分解透視圖；
[0016]圖8A為與海拔高度驅動組件殼體分離的組裝的被動式或非驅動的海拔高度接頭組件的插入透視圖；
[0017]圖9為沿著圖6中的線A— A截取的海拔高度驅動組件的水平截面圖；
[0018]圖10為基座的一個實施例的透視圖，其中方位角驅動組件安裝在該基座上；
[0019]圖11為在相對於方位角驅動組件的匹配位置中延伸穿過滑環罐組件中心的光纖數據傳輸通道的透視圖；
[0020]圖12為方位角驅動組件的分解透視圖，其中覆蓋件被移除；
[0021]圖13為沿著圖11中的線B— B截取的方位角驅動組件的豎直截面圖；
[0022]圖14A和14B為雷達收發器的透視圖，其中圖14B示出了維護覆蓋件被移除的收發器；
[0023]圖15為位於海拔高度驅動組件內的中頻數字轉換器的部件示意圖；以及
[0024]圖16為雷達中的主要電氣部件的功能示意圖。

【具體實施方式】
[0025]參考附圖以便更好地理解本發明的功能和結構，從圖1中可以看到，雷達10包括拋物線天線11以及定位在拋物線天線11中心內的正模饋電喇機12。饋電喇機12利用四個支撐支架13與天線表面間隔開並被支撐在天線表面上方，這些支撐支架將饋電喇叭相對於天線表面53定位在最佳發射和接收部位處。一對波導管14沿著頂部的兩個支架13定位並且由這兩個支架支撐，由此將饋電喇叭12中的水平和豎直腔室通過在天線表面中形成的孔口而與電子器件艙室16和16'連接，如圖所示。一對伴隨波導管15在每個側前部波導管上將天線表面孔口與電子器件艙室橋接。這些艙室16是「鞍囊」子組件模塊16，其保持用於發射、接收和處理雷達能量分量的電子器件，並且由雷達10的上部結構框架17支撐。這些子組件通過螺栓連接到框架17上，並且可以被移除以根據需要進行維護和更換。三個附加隔室40位於框架17的上表面上，並且還可以根據需要來保持電子器件。
[0026]結合圖1，從圖2中可以看到，天線11和框架上部結構17安裝在海拔高度驅動子組件20上，使得上部結構17能夠與所附接的天線11 一起相對於支撐雷達基部28的水平面上下旋轉，旋轉的範圍為大約-12度至109度。上部結構17包括由相對的一對海拔高度接頭22、22^旋轉地支撐的焊接的側支撐面板25、25^，左側的支撐面板25'由定位在驅動子組件20中的諧波驅動器驅動和控制，右側的支撐面板響應於左側的諧波驅動器的運動而被動地旋轉。海拔高度驅動組件由旋轉驅動系統26旋轉地支撐,該旋轉驅動系統座置在基座18和金屬基部28上並且由基座和金屬基部支撐。基部28焊接到基座18的下部部分，並且可以通過螺栓連接到另一個支撐結構(未示出)，例如移動拖車組件，以允許容易地移動和運輸雷達10，或者可以利用安裝螺栓或拉力螺釘連接到靜止的混凝土基部以形成固定工位。
[0027]額外參考圖3，電子器件容納在通過螺栓連接到每個上部結構側面板25、25'上的鞍囊隔室16中，並且通過一系列流體管進行冷卻，這些流體管蜿蜒穿過每個隔室以從電氣系統吸收熱，並且將熱傳遞到定位在上部結構17下方的冷卻部件的組件29。每個組件29包括帕爾帖冷卻板31、熱交換器32和冷卻風扇30，它們安裝在一起以便於去除上部結構外殼內的熱。可以注意到，多個這樣的冷卻組件29定位在上部結構上不同部位處，例如海拔高度驅動組件20的前部和後部上，以及隔室16的內表面上。
[0028]上部結構還支撐有三個附加隔室40，多種電子器件可以保持在這些隔室中。優選地，中心隔室40保持IFD數字轉換器(參見圖15和16)。在中心隔室的右側或左側，一個向下傾斜的隔室40可以保持基座控制器，另一個隔室可以保持溫度控制器。
[0029]在每個側子組件模塊16下方，泵34通過螺栓連接到模塊16的下表面，以將冷卻劑流體驅動到每個模塊16之後和上部結構17的側面板25中，並且驅動返回到每個冷卻組件29。另外，泵34還可以將流體泵送到每個上部隔室40中的熱交換器，以冷卻這些隔室中的電子器件，其中隔室40中的溫度控制器根據用戶選擇的溫度調節設定而控制泵34。優選地，AN(海軍航空)配件和管件將用作從泵34到每個模塊內的各個熱交換器的流體管道。這種布置形成冷卻充壓室，以用於容納在模塊16、16'中的電子器件、隔室40中的電子器件、以及控制框架17的海拔高度運動的驅動致動器。這樣的主動冷卻允許較高功率的雷達發射電子器件定位在隔室16和40中，同時保留較為容易的維護入口。
[0030]跨越側面板25、25'的前邊緣，通過將天線螺栓連接到在天線框架41中形成的周邊凹部43中，天線安裝框架41剛性地支撐天線11，如圖所示。天線11包括一體的基部部分52，該一體的基部部分從天線上的內拋物線反射性表面53向後延伸，以提供平的基部，該平的基部的尺寸形成為用以匹配凹部43並且用於利用螺栓將天線的後部剛性地固定到框架41。
[0031 ] 現在參考圖4A-4D，可以看到，一對前波導管14定位到天線11的內部上，並且由支架13支撐。一對孔口 37定位在天線11中，以允許每個前波導管14的一個端部配合到天線，同時允許雷達信號橫穿天線以從正模饋電喇叭13進行發射和接收。對應的一對後波導管15在孔口 37處將波導管14的最後側部分連接到模塊16中的波導管發射埠 38。如圖4C-4D所示，後波導管15的形狀形成為便於經由天線11將雷達波發射到由模塊16容納的收發器電子器件以及從該收發器電子器件接收雷達波。有關雷達10中使用的波導管的構造和定位的進一步的討論將被省略，原因是波導管的使用和構造在工業中是已知的，並且對於本文所述的發明的完全理解而言不是必要的。
[0032]如圖5所示，海拔高度驅動組件20可旋轉地安裝到旋轉驅動組件26上。海拔高度驅動組件20包括每一側上的旋轉海拔高度接頭22，這些接頭通過內部驅動系統彼此沿軸向對準，如進一步討論的。組件的殼體56用作旋轉驅動組件26和框架上部結構17之間的豎直支撐框架，並且通常可以由鍛造鋼件形成，或者由實心鋼件精密加工而成。殼體56的中空內部保持海拔高度驅動部件和冷卻系統。殼體56包括形成的側延伸部59，該側延伸部的尺寸形成為使得每個海拔高度接頭22上的外部安裝螺栓62匹配在上部結構17的下部支撐面板25、25'中形成的安裝孔42。為了進行冷卻，殼體56包括通過螺栓連接到殼體56上的三個金屬檢查孔板57，其中兩個檢查孔板上安裝有冷卻組件29，如圖所示。組件20的下端部58包括卡圈構件61，下端部58通過該卡圈構件連接到旋轉驅動系統26並且由該旋轉驅動系統支撐。
[0033]現在參考圖6，可以看到，帕爾帖冷卻板31包括背部表面35，該背部表面延伸穿過在維護檢查孔板57中形成的孔口 39，從而在驅動組件20的內側上提供最佳的冷卻表面。可以理解，表面35提供從與表面35相鄰地定位的容納冷卻劑的銅管的熱傳遞通路，該冷卻劑可以在驅動組件20中循環，以從關鍵的內部部件去除熱。此外，電子部件可以安裝在表面35上或附近以用於進行冷卻。
[0034]海拔高度接頭22、22'包括旋轉組件64和64'，旋轉組件沿著軸線63彼此軸向地對準，並且經由框架上部結構17相對於彼此在旋轉上鎖定。旋轉組件64是被動式的，從而以與旋轉組件64'相同的角度關係提供旋轉支撐。旋轉組件64'包括驅動致動器系統，並且還包括冷卻夾套79，該冷卻夾套通過卷繞在夾套79內且圍繞驅動馬達的徑向銅管連續地供應冷卻的水。內部泵(未示出)將液體冷卻劑從每個夾套79泵送到前述帕爾帖冷卻表面35，以便通過冷卻組件29從驅動組件64耗散熱。雖然當前盤繞的銅管是優選的，但是發明人能夠想到使用由夾套79保持的冷卻劑貯存器，以提供較大的冷卻表面積和增強的熱去除。
[0035]現在參考圖7和7A，可以看到，旋轉組件64'包括一系列墊圈、O形環和夾持板，驅動致動器78通過它們可以產生旋轉力。驅動致動器78優選地包括中空軸、應變波致動器，例如由位於麻薩諸塞州波士頓的諧波驅動技術(Harmonic Drive Technologies) (aka諧波驅動有限公司(aka Harmonic Drive, LLC))在其SHA型號系列下提供的諧波驅動器。驅動致動器的內部上的傳感器(未示出)監測驅動軸旋轉速度、方向和角度位置，從而可以獲得輸出軸的精確控制，並且由此獲得連接上部結構17和天線11的接頭22的旋轉的精確控制。因為接頭22和22'之間的旋轉運動被鎖定，所以致動器78的運動引起接頭22中的響應且同步的旋轉運動。
[0036]對於本公開而言，術語「諧波驅動器」用作對於各種工業中已知的且在20世紀50年代提出的「應變波致動器」的通用名稱。應變波致動器具有三個主要部分:波發生器、柔輪和圓形脊。波發生器是軸承和稱為波發生器插塞的鋼盤的組件。波發生器插塞的外表面具有被加工到精確規格的橢圓形形狀。特別設計的滾珠軸承被壓在該軸承插塞周圍，使得軸承貼合與波發生器插塞相同的橢圓形形狀。柔輪是薄壁鋼杯，在杯的開口端附近的外表面上加工有齒。大直徑的杯允許其沿徑向適形，但仍然保持扭轉剛度，並且其在一個端部處具有剛性凸臺，以提供粗糙的安裝表面。在組裝期間，波發生器在與柔輪齒相同的軸向位置中插入到柔輪中。杯的邊沿附近的柔輪壁貼合與軸承相同的橢圓形形狀，以便在其外表面上有效地產生橢圓形齒輪節圓直徑。柔輪具有比圓形花鍵小的兩個齒，使得當波發生器旋轉一圈時，柔輪和圓形花鍵通過兩個齒而移動，由此柔輪產生「波狀」(由此而命名)運動。因此，當波發生器通過主功率源(通常是電動馬達或伺服機構)而旋轉時，該發生器經由柔輪構件沿著與主功率源相反的旋轉方向向任何連接的外部元件施加旋轉力。
[0037]這種布置的獨特運動學特性允許諧波驅動器的齒接合在齒面的兩側上，從而使得高達30%的齒輪齒在柔輪的全部旋轉期間進行接合，並且提供柔輪和功率源之間的高的力與旋轉運動的比。常規的雷達設計使用常規的馬達傳動裝置而使天線運動到期望位置，在該期望位置中，至多大約3-4%的齒輪齒嚙合。但是這種低嚙合傳動裝置通常由於齒輪齒間距和齒輪齒寬度之間的差而導致不期望的運動，稱為「反衝」。反衝是不期望的旋轉擺動，其可能在多軌道傳動裝置中導致意外的扭轉運動。當齒輪齒因年久而磨損時，這種狀況可能隨著時間而進一步增大。然而，因為諧波驅動器具有高度的齒輪嚙合，所以它們不會在運動期間導致反衝。除了其它優點之外，這使得雷達天線組件能夠進行平滑的且良好的受控天空掃描，例如高精度的且可追蹤的天線位置以及雷達組件內小馬達或伺服機構的大功率槓桿作用。本發明結合有鍵旋轉組件中的諧波驅動器，並且將這些驅動器與輸出元件聯接，這些輸出元件加強了這樣的驅動器的防反衝特性，如將要描述的。
[0038]驅動致動器78通過靜止支撐板77利用螺栓70d連接到輸出轂71，致動器殼體利用螺栓70a連接到該支撐板，並且致動器78通過O形環76與大氣隔離。滾珠軸承73和一體的軸承/輸出驅動管72支撐驅動軸間隔件74，使得轂71和輸出驅動管可以自由地旋轉，並且依靠的上部結構面板25'可以經由外部螺栓70c固定到該驅動管。端蓋69利用螺栓70f連接到支撐板77，並且利用螺栓70e保持輸出密封夾持件68。環密封件66利用螺栓70g將迷宮式密封件67壓靠著夾持件68，從而防止外部大氣進入海拔高度驅動組件20內部。
[0039]旋轉組件64具有與組件64'類似的結構，但是省略了驅動致動器和冷卻夾套元件78和79。如圖8和8A所示，代替利用螺栓連接到致動器的旋轉轂/軸承的是，旋轉轂/軸承91具有利用螺栓連接到端蓋69和支撐板77內部的外周邊邊緣。和在組件64'中一樣，組件包括夾持件、O形環以及墊圈，以便將海拔高度驅動組件20與外側環境在環境方面隔絕，如可以看到的。組件64省略了額外的滾珠軸承73和間隔件74，原因是組件64不包括如相對的組件64'中的驅動管。
[0040]如圖9所示，殼體56的尺寸形成為用以將驅動組件64和64'以緊密的精度接收在殼體延伸部59中。在插入到延伸部59中之後，每個驅動組件64、64'通過將靜止支撐板77利用螺栓83連接到凸緣75而緊密地固定到周邊凸緣75。此外，圍繞組件64'中的致動器78的冷卻夾套79定位在殼體56中，緊密貼合該殼體，以提供穩定性和隔離的冷卻。夾套79內的管件80 (未示出)的入口和出口端部連接到循環泵(參見圖2-3，泵34)，以便使冷卻劑循環到帕爾帖板35和冷卻夾套79以及從帕爾帖板和冷卻夾套，以用於從驅動致動器78連續去除熱。
[0041]如能夠理解的，驅動組件64和64'是中空的，包括在每一端上的端蓋69，端蓋利用螺栓連接到側面板附接部位42上。從而，將每一端上的端蓋69固定到框架上部結構17上的螺栓62形成開口柱，該開口柱用於線材和纜線橫穿每個組件64、64'而向上並進入到密封的側面板25中，在該側面板處可以獲得用於保持在電氣模塊16中的電子器件的電氣觸及。優選地，功率和位置信號導體橫穿非驅動的或被動式的組件64，並且用於傳遞數位化雷達數據信號的光纖纜線橫穿被驅動的組件64'。
[0042]現在參考圖10，可以看到，海拔高度驅動組件20旋轉地支撐在旋轉驅動組件26上。海拔高度驅動組件20的下部部分58包括安裝卡圈61，該安裝卡圈具有螺紋孔口(未示出)的周邊布置，該螺紋孔口定位成用以接納從支撐環帶102向上延伸的一系列螺栓101。旋轉接頭封裝體116支撐在支撐環帶102內，並且當安裝卡圈61利用螺栓連接到環帶102上時延伸並保持到海拔高度組件20的下端部58中。旋轉驅動器殼體81保持座置在基座18的頂部上的旋轉致動器103和冷卻夾套104。基座18包括維護進入通路84，並且其下端部焊接到基座支撐基部28上。NEMA型封裝件可以利用螺栓連接到進入通路84的周邊凸緣上，以容納各種類型的附加電子器件。例如，網絡路由器、功率源電子器件和基座電子器件(即用於海拔高度和旋轉組件的控制器)可以全部容納在NEMA封裝件中，以作為對類似上部結構17上的隔室40的其它位置的可選方案。
[0043]放大的視圖11示出了定位在旋轉接頭封裝體116中且由該旋轉接頭封裝體支撐的光纖旋轉接頭107。旋轉接頭封裝體116包括由轉子支撐環111 (頂部)和定子支撐環112 (底部)支撐的單個通道滑環組件108，每個支撐環包括至少4個導體開口 113，線材(未示出)可以通過該導體開口進入定位在滑環組件108的頂部和底部上的導體以及從這些導體離開。通常，飛線式線材連接到滑環108上的頂部和底部導體，以允許將電力提供給方位角接頭23上方的部件並且將海拔高度命令信號提供給驅動致動器78。光纖旋轉接頭(「F0RJ」)107優選地是單通多模式類型，例如由加拿大的焦點技術公司(FocalTechnologies Corporat1n)製造的型號N0.286。可以看到,滑環108應當是通孔類型,例如由維吉尼亞州的布萊克斯堡的Moog Components Group製造的零件號為N0.AC6275的類型，或類似類型，使得與光纖旋轉接頭107的非旋轉(下部)部分連接的光纖線路(未示出)可以橫穿滑環108的中心，並且向下穿過旋轉致動器組件121沿著垂直軸線125 (參見圖12)。消旋支架117抵靠一體地形成到安裝盤中的轉矩臂，該安裝盤圍繞和支撐光纖旋轉接頭107，使得光纖旋轉接頭107的上部部分保持與罐116和其它旋轉組件(例如天線11和上部結構17)旋轉且鎖定對準。
[0044]現在參考圖12和13，滑環罐116包括固定到其下表面的安裝板122，該安裝板抵靠並利用螺栓131固定到轉盤123。輸出端蓋127利用螺栓138固定到旋轉驅動組件殼體81，並且包括若干墊圈和密封件以將驅動組件26內部與環境隔離。轉盤123具有下端部，該下端部延伸穿過輸出端蓋127以與輸出驅動器轂126匹配，該輸出驅動器轂在柔輪處固定到致動器103。與海拔高度驅動組件20 —樣，驅動致動器103優選地包括中空軸、應變波致動器，例如由位於麻薩諸塞州波士頓的諧波驅動技術(Harmonic Drive Technologies)在其SHA型號系列下提供的諧波驅動器。驅動致動器103的內部上的傳感器(未示出)監測驅動軸旋轉速度、方向和角度位置，使得能夠利用定位在基座18內的控制器電子器件、或者附接到進入通路84或處於上部結構17的中心隔室40中的相鄰電子器件機櫃(未示出)實現輸出軸的精確控制。旋轉驅動器包括接納立管128的中空中心120，該立管延伸穿過中心120並且與立管接收器129匹配。中空中心120的底部包括引導圓筒139和支撐硬體141，以將致動器103支撐和固定到夾套支撐組件143上。夾套支撐組件還容納冷卻夾套104，該冷卻夾套包括銅管盤柱，該銅管盤柱圍繞致動器103並且在冷卻劑流體流過盤管時冷卻致動器103。夾套支撐組件143包括配件，該配件用於連接到銅盤管並且用於將驅動單元103固定到支撐組件143。組件143還包括引導銷147，該引導銷將組件143鎖定到基部144中，並且抵抗旋轉。基部144還包括引導孔口 146，該引導孔口提供開口，該開口用於諸如光纖纜線的線材和纜線穿過基部144進入到基座18的內部中。
[0045]現在具體轉到圖13，可以看到軸承136座置在輸出蓋127上，並且通過形成在立管128中的凸緣135保持就位。該軸承保持立管128與滑環108的非旋轉下部部分靜態對準，同時允許輸出轂126和螺栓連接的轉盤123繞立管128自由旋轉。輸出轂126由致動器103內部的軸承(未示出)支撐，該軸承由致動器103的殼體支撐。致動器103的殼體繼而由支撐組件143支撐，該支撐組件由基座18支撐。從而，在輸出轂126和轉盤123旋轉期間，轉盤123、輸出轂126和致動器103的殼體支撐雷達10的整個上部部分。但是，因為致動器103是中空的，所以立管128提供中空管道，與光纖旋轉接頭107的非旋轉下端部連接的光學通信纜線可以穿過該中空管道，向下穿過下部孔口 146並且進入到基座18中，在基座處纜線可以與基座內的電子器件連接。與滑環108的非旋轉下部部分連接的電導體(未示出)也可以自由地穿過立管128而進入基座18。
[0046]旋轉驅動器殼體81在其表面上形成有多個冷卻翅片135，以幫助冷卻夾套104從驅動致動器103耗散熱，並且用於保持兩個閥149。這些閥149旋轉座置在殼體81中，並且延伸穿過殼體而進入到組件26內部。在內部壓力由於組件26內的內部熱而到達預定極限且需要被釋放的情況下，閥提供壓力釋放孔口。在銅盤管升級為如前所述的用於海拔高度組件20內的夾套79的全貯存器設計的情況下，這些閥還可以旋轉地移除，使得冷卻劑流體可以增加到冷卻夾套貯存器。
[0047]現在參考圖14A-14B，鞍囊隔室16包括處於電子器件隔室或艙室161中的收發器電子器件組件160。艙室161接納覆蓋件163，該覆蓋件利用多個閂鎖169和密封墊圈固定到該艙室。當覆蓋件利用閂鎖169定位在隔室161之上時，隔室161受到保護並與環境隔離。艙室161可以利用螺栓162固定到上部結構側面板25，但是後電子器件通信埠(未示出)提供從艙室161的後表面進入到依靠的側面板25中的進入通路，使得一個或多個光纖通信纜線以及高速數據和電力纜線可以從收發器組件160延伸到海拔高度組件20中。如上所述，海拔高度接頭22和22'在附接點42處附接到側面板25，每個側面板具有中空空間，這樣的通信和電力線路可以延伸穿過該中空空間而不會經歷旋轉扭曲。旋轉接頭116和光纖旋轉接頭107還用於這樣的通信和電力線路橫穿旋轉組件26而進入基座18。
[0048]艙室160保持功率源168、雷達發射器167和雷達接收器166。波導管埠 38利用螺栓連接到後波導管15上，使得來自發射器167的射頻傳輸可以傳播到天線11，並且由接收器166接收和處理雷達反射信號。有關收發器組件160中的電子器件的操作和工作的進一步討論被省略，原因是這樣的部件是可商購獲得的，並且對於本文所述的發明的完全理解而言不是必要的。
[0049]參考圖15，中頻數字轉換器(「IFD」)190優選地容納在上部結構17的中心隔室40中，並且由與IFD相鄰地定位的管件中的液體冷卻劑進行冷卻。通過溫度調節裝置控制泵34的使流體運動到熱交換器29的致動，該溫度調節裝置容納在中心隔室40的側面上的傾斜隔室40中。作為另外一種選擇，IFD可以安裝到海拔高度組件20的覆蓋件57的內側，從而具有靠近冷卻組件的優點。例如，IFD190可以在內部冷卻傳遞表面上固定到一個檢查孔板57上，使得IFD產生的熱可以容易地由相鄰的冷卻組件29去除。IFD190可以以任何常規的方式固定到板57上，如本領域中已知的。
[0050]IFD190的主要目的是以最小的計算量將來自接收器160的模擬中頻(「IF」)信號數位化。IFD190包括電路，該電路將到達雷達接收器的信號轉換為過濾的且數位化的積分I/Q數據流。這是雷達中的關鍵功能，並且根據多個操作因素，例如雷達使用什麼樣的傳輸頻率，針對每個雷達在動態範圍、線性度、距離解析度、通帶靈活性和數據通過量方面優化IFD。有時為數字接收器而保留以例如獲得1、Q和短脈衝統計資料的函數優選地在IFD190上執行，並且將包括用於接收器的動態「I」和「Q」值的匹配過濾和提取。另外，iro在頻率、相位和振幅方面分析雷達中的短脈衝，以提供數字相位鎖定、AFC以及先進的處理和控制。
[0051]IFD190包括現場可編程門陣列(FPGA)中的16位元組的高速數字轉換器192，該數字轉換器將接收到的以60MHz的中頻返回的水平和豎直雷達數位化。IF信號以16位元組的精度採樣，採樣率取決於雷達傳輸的類型。通常，採用率為大約76.7239MHz，其能夠優選地使得範圍門配合合理地進入1-Km，但是也可以任選地提供高達10MHz的其它採樣頻率。在數位化之前，IF信號通常通過用於60MHz的IF應用的三極濾波器進行濾波，但是在從10至170MHz的範圍上可以提供其它IF頻率或者甚至寬帶操作。
[0052]在轉換到數字域之後，數字水平和豎直I/Q數據經由光纖纜線187從IFD190發送到信號處理器和主計算機，該光纖纜線位於旋轉接頭23下方，並且通常位於基座18中或者處於靠近地定位的計算機機櫃(未示出)中。具有對IFD190的五個IF輸入191:CH1_CH4和TXS。通常，通道1-4成對地使用，一對用於水平接收器，一對用於豎直接收器，每一對都接收具有重疊動態範圍的中間信號，這將提供比利用單個A/D轉換器能夠獲得的更大的系統動態範圍。TXSIF通道用來對發射器輸出波形(對於非相干的和被驅動的發射器兩者)進行採樣，使得接收到的信號可以在脈衝-脈衝基礎上針對發射器相位和振幅進行修正。該數字COHO函數通常精確到0.02度。
[0053]數位化的IF信號利用可調諧數字局部振蕩器176被轉換為基帶I/Q數據，並通過數字濾波器進行處理，以形成可接受的IF通帶形狀和範圍門解析度。然後，數字IF信號離開IFD埠(193、194、196)而沿著2.5Gb/秒的光纖纜線傳遞到前述數字處理單元，其中由千兆乙太網線提供命令/控制/狀態信息。該單元設置有能夠用於特定應用的九個完全可編程觸發器、串行角度輸入埠和其它I/O埠。可選的同步信號198也能由IFD使用。
[0054]現在參考圖16，可以看到IFD190在功能上定位在如前所述處於艙室161中的一對收發器171和172與地面信號處理電子器件174之間。通常，一個收發器發射水平射頻信號並且接收由天線11和正模饋電喇叭12收集的水平射頻反射數據，而另一個收發器以類似的方式發射和接收豎直信號。上/下轉換器173將信號向上或向下轉換為中頻信號，然後該中頻信號可以被IFD190數位化。來自於基準振蕩器176的基準信號管理轉換器173中的轉換過程。一旦數位化，一個或多個光纖纜線187和乙太網線188就將數據通過方位角滑環組件116傳遞到地面處理設備174，或者傳遞到其它遠程客戶端計算機177。
[0055]每個收發器171、172包括帶通濾波器181、多個匹配的放大器186 (例如功率放大器)以及方向耦合器183。射頻開關182控制可能被傳輸用於水平或豎直傳輸通道的傳輸功率大小，並且循環器199將傳輸功率與接收器內的收集反射信號的部件保護和隔離，以防止對部件造成傷害。低噪聲放大器184接收通過波導管14、15從天線11傳播的雷達反射信號，並且將這些信號轉換為能夠由同軸纜線傳遞到其它接收器元件的電信號。
[0056]雷達10包括由基座18保持的信號處理電子器件以處理雷達反射數據並且提供用於方位角和高度組件中的驅動致動器的運動控制。這樣的處理電子器件可以保持在輔助電子器件中，保持在與基座18的外部上的維護進入通路84固定的在環境上隔絕的NEMA式隔室中。其它的機櫃也可以根據需要連接到基座基部28且與基座基部相鄰地安裝。雖然本文所述的雷達10的當前實施例將雷達信號處理單元定位在基座18中或上，但是發明人能夠想到將這樣的電子器件整合在框架上部結構17中或上、整合在電子器件隔室16中或上、或者保持在海拔高度驅動組件20中，原因是這樣的電子器件隨時間而收縮。
[0057]在操作中，雷達10將X帶雷達波通過每個傳輸平面中的每個波導管14-15同時進行傳輸，然後它們可以通過每個波導管14-15接收反射信號。傳輸發生自收發器171和172中的發射器，並且反射信號由每個收發器中的接收器元件進行處理。數位化的反射信號經由光纖纜線187向下通過傳遞殼體20和旋轉驅動組件而傳遞到處於基座18內的一個或多個信號處理器，或者保持在離座工作站(未示出)的處理卡中。如上所示，光纖旋轉接頭定位在旋轉驅動組件的中心中，以允許光纖的上部部分相對於光纖旋轉接頭的下部部分自由地旋轉。前述雷達構造允許數位化反射數據直接傳輸到信號處理器，而不會由於使用滑環通過海拔高度和旋轉接頭傳輸反射信號導致失真，由此保留反射數據，以允許優異的天氣數據分析。
[0058]雖然已經以一種形式示出了本發明，但是對於本領域技術人員而言明顯的是，本發明並不限於此，而是能夠在不脫離本發明的精神的情況下容易地進行各種改變和修改。
【權利要求】
1.一種防反衝運動的都卜勒雷達，其包括: a.基座，所述基座用於支撐所述雷達； b.旋轉組件,所述旋轉組件由所述基座支撐,所述旋轉組件包括諧波驅動致動器； c.海拔高度組件,所述海拔高度組件由所述旋轉組件旋轉支撐並且由所述諧波驅動致動器驅動，所述海拔高度組件包括安裝在所述海拔高度組件的相對兩側上的沿軸向對準的兩個海拔高度接頭； d.框架上部結構，所述框架上部結構由所述海拔高度接頭繞所述海拔高度組件旋轉地支撐並且跨越所述海拔高度接頭，所述框架上部結構包括跨越所述海拔高度組件的單獨的天線安裝框架；以及 e.拋物線天線組件，所述拋物線天線組件安裝在所述天線安裝框架上，所述拋物線天線組件具有正模饋電喇叭和與所述正模饋電喇叭連接的至少一個波導組件，以用於與收發器組件進行雙向通信。
2.根據權利要求1所述的雷達,其還包括處於所述海拔高度接頭中的一個海拔高度接頭中的諧波驅動器，從而所述諧波驅動器的旋轉使所述天線組件提升。
3.根據權利要求2所述的雷達，其還包括滑環組件，所述滑環組件定位在所述海拔高度組件的下部部分中並且操作地連接到所述旋轉組件中的所述諧波驅動致動器。
4.根據權利要求3所述的雷達，其中所述海拔高度接頭中的一個海拔高度接頭包括輸出轂、支撐板和端蓋，所述輸出轂操作地連接到所述諧波驅動致動器的旋轉輸出，其中所述輸出轂旋轉地保持在所述支撐板和所述端蓋之間，並且其中所述輸出轂的一部分延伸穿過所述端蓋以用於將該部分連接到所述框架上部結構，並且其中所述支撐板保持所述諧波驅動致動器且在其側向位置處固定到所述海拔高度驅動組件。
5.根據權利要求4所述的雷達，其中所述旋轉組件包括冷卻組件，所述冷卻組件圍繞所述諧波驅動致動器以用於冷卻所述諧波驅動致動器。
6.根據權利要求4所述的雷達，其中所述旋轉組件限定了與所述旋轉組件的旋轉軸線共延的中空圓筒，並且允許電纜穿過所述中空圓筒。
7.根據權利要求6所述的雷達，其中所述海拔高度接頭中的所述一個海拔高度接頭限定了與所述海拔高度接頭的旋轉軸線共延的中空圓筒，以允許電纜穿過所述中空圓筒。
8.根據權利要求6所述的雷達，其中所述旋轉接頭的中空圓筒包括至少一個電纜定位在所述圓筒中，使得所述海拔高度接頭的旋轉不會干擾所述至少一個電纜的旋轉對準。
9.根據權利要求1所述的雷達，其中所述旋轉組件還包括殼體，所述殼體圍繞所述旋轉組件並由所述基座支撐，並且其中所述旋轉組件還包括:輸出蓋，所述輸出蓋具有固定到所述殼體的上部邊緣上的下部周邊凸緣；輸出轂，所述輸出轂旋轉地固定到所述諧波驅動致動器的輸出部分並延伸穿過所述輸出蓋；以及轉盤，所述轉盤具有支撐所述海拔高度組件的上表面和固定到所述輸出轂的下部部分。
10.根據權利要求9所述的雷達，其中所述旋轉組件限定了與所述旋轉組件的旋轉軸線共延的中空圓筒，並且允許電纜穿過所述中空圓筒。
11.根據權利要求10所述的雷達，其中所述海拔高度接頭中的所述一個海拔高度接頭限定了與所述海拔高度接頭的旋轉軸線共延的中空圓筒，以允許電纜穿過所述中空圓筒。
12.根據權利要求11所述的雷達，其中所述旋轉組件能夠進行360度旋轉。
13.根據權利要求1所述的雷達，其中所述旋轉組件還包括由所述基座支撐的殼體，所述諧波驅動致動器使其殼體的一部分固定到所述旋轉組件的殼體並由所述旋轉組件的殼體支撐，並且其中所述旋轉組件還限定了沿著其旋轉軸線延伸的中空圓筒，所述旋轉組件包括立管，所述立管固定到所述旋轉組件的下部部分上並延伸穿過所述中空圓筒而進入所述海拔高度組件。
14.一種都卜勒雷達系統，其包括: a.基座裝置，其用於提供基座以支撐所述雷達系統； b.天線組件裝置，其用於與雷達接收器進行雙向雷達通信，所述天線組件裝置包括用於垂直波朝向所關注的天氣現象傳輸的裝置並且還包括用于波導管與雷達收發器雙向通信的裝置； c.旋轉裝置，其由所述基座裝置支撐以用於使所述天線組件裝置旋轉，所述旋轉裝置包括諧波驅動致動器； d.下降和傾斜裝置，其由所述旋轉裝置旋轉地支撐，以用於使所述天線組件裝置下降和向上傾斜； e.框架裝置，其用於提供框架上部結構以用於將所述天線組件裝置支撐在所述下降和傾斜裝置上，其中所述框架裝置還包括用於將所述天線組件裝置連接到所述框架裝置的安裝裝置，並且其中所述安裝裝置跨越所述下降和傾斜裝置；以及 f.其中所述下降和傾斜裝置還包括旋轉連接裝置，以用於將所述天線組件裝置旋轉連接到所述框架裝置。
15.根據權利要求14所述的雷達，其還包括諧波驅動器，所述諧波驅動器處於所述旋轉連接裝置中，以用於引起所述框架裝置的運動。
16.根據權利要求15所述的雷達，其中所述旋轉裝置還包括由所述基座裝置支撐的殼體，並且其中所述旋轉裝置還包括:輸出蓋，所述輸出蓋具有固定到所述殼體的上部邊緣上的下部周邊凸緣；輸出轂，所述輸出轂旋轉地固定到所述諧波驅動致動器的輸出部分並延伸穿過所述輸出蓋；以及轉盤，所述轉盤具有支撐所述下降和傾斜裝置的上表面和固定到所述輸出轂的下部部分。
17.根據權利要求16所述的雷達，其中所述旋轉裝置限定了與所述旋轉裝置的旋轉軸線共延的中空圓筒，以允許電纜穿過所述中空圓筒。
18.根據權利要求17所述的雷達，其中所述旋轉連接裝置還包括輸出轂，所述輸出轂操作地連接到所述諧波驅動致動器的旋轉輸出，並且其中所述旋轉連接裝置包括保持所述輸出的端蓋和支撐板，並且其中所述輸出轂的一部分延伸穿過所述端蓋以用於將該部分連接到所述框架裝置，其中所述支撐板保持所述諧波驅動器且在其側向位置處利用螺栓連接到所述下降和傾斜裝置。
19.根據權利要求17所述的雷達，其還包括滑環組件，所述滑環組件定位在所述下降和傾斜裝置的下部部分中並操作地連接到所述旋轉裝置中的所述諧波驅動致動器，並且其中所述旋轉裝置還包括電纜，所述電纜的一個端部在其相對於所述旋轉裝置的下部非旋轉位置中與所述滑環組件電接觸，並且所述電纜的其餘部分延伸穿過所述旋轉裝置的所述中空圓筒並延伸到所述基座裝置中。
20.一種在都卜勒天氣雷達系統中在沒有反衝的情況下定位天線組件的方法，所述雷達具有:基座；旋轉組件，其由所述基座支撐；海拔高度組件，其由所述旋轉組件旋轉地支撐；框架上部結構，其由所述海拔高度接頭繞所述海拔高度組件旋轉地支撐並且跨越所述海拔高度接頭；以及拋物線天線組件，其安裝在所述框架上部結構上，所述拋物線天線組件具有正模饋電喇叭和與所述正模饋電喇叭連接的至少一個波導組件，以用於與收發器組件進行雙向通信，所述方法包括以下步驟: a.利用定位在所述海拔高度組件上的諧波驅動致動器使輸出轂旋轉，其中所述輸出轂旋轉地連接到框架上部結構，從而所述輸出轂的旋轉引起所述天線組件的下降和上升； b.利用定位在所述旋轉組件中的諧波驅動致動器使輸出轂旋轉；以及 c.響應於預先編程的設定而改變步驟a-b，使得所述天線組件經過天空，以針對天空的預定部分獲得天氣反射數據。
21.根據權利要求20所述的方法，其還包括步驟:使數位化的數據通過定位在位於所述旋轉組件中的所述諧波驅動器的軸向中心處的纜線進行傳遞。
22.根據權利要求21所述的方法，其中所述纜線包括光纖。
23.根據權利要求21所述的方法，其還包括通過定位在所述海拔高度組件中的滑環組件傳遞電信號。
24.根據權利要求23所述的方法，其還包括步驟:通過由所述滑環組件支撐的光纖旋轉接頭傳遞光學數據信號。
25.一種防反衝都卜勒天氣雷達，其包括: a.基座，所述基座用於支撐所述雷達，所述基座具有在其下端部處的徑向基部和用於保持電子器件的中空內部； b.旋轉組件,所述旋轉組件由所述基座支撐，所述旋轉組件包括殼體和諧波驅動致動器，所述諧波驅動致動器連接到所述殼體並由所述殼體支撐； c.海拔高度組件，所述海拔高度組件旋轉地支撐在所述旋轉組件上，所述海拔高度組件包括固定到所述海拔高度組件的外部上的至少一個海拔高度接頭，其中所述海拔高度接頭限定了沿著其旋轉軸線延伸到所述海拔高度組件的內部中的空的圓筒； d.框架上部結構，所述框架上部結構具有至少一個依靠面板，其中所述框架上部結構通過所述至少一個海拔高度接頭旋轉地支撐在所述依靠面板處，並且其中所述框架上部結構包括跨越所述海拔高度組件的單獨的天線安裝框架；以及 e.拋物線天線組件，所述拋物線天線組件安裝在所述天線安裝框架上，所述拋物線天線組件具有正模饋電喇叭和與所述正模饋電喇叭連接的至少一個波導組件，以用於與收發器組件進行雙向通信。
26.根據權利要求25所述的雷達，其還包括處於所述海拔高度接頭中的一個海拔高度接頭中的諧波驅動器，從而所述諧波驅動器中的輸出元件的旋轉使所述天線組件提升。
27.根據權利要求26所述的雷達，其中所述旋轉組件還包括:輸出蓋，所述輸出蓋具有固定到所述殼體的上部邊緣上的下部周邊凸緣；輸出轂，所述輸出轂旋轉地固定到所述諧波驅動致動器的輸出部分並延伸穿過所述輸出蓋；以及轉盤，所述轉盤具有支撐所述海拔高度組件的上表面和固定到所述輸出轂的下部部分。
28.根據權利要求27所述的雷達，其中所述諧波驅動致動器使其殼體的一部分固定到所述旋轉組件的殼體並由所述旋轉組件的殼體支撐，並且其中所述旋轉組件還限定了沿著其旋轉軸線延伸的中空圓筒，所述旋轉組件包括立管，所述立管固定到所述旋轉組件的下部部分上並延伸穿過所述諧波驅動致動器而進入所述海拔高度組件。
29.根據權利要求27所述的雷達，其中所述海拔高度接頭還包括輸出轂，所述輸出轂操作地連接到所述諧波驅動致動器的旋轉輸出，並且其中所述海拔高度接頭包括保持所述輸出的端蓋和支撐板，並且其中所述輸出轂的一部分延伸穿過所述端蓋以用於將該部分連接到所述框架，其中所述支撐板保持所述諧波驅動致動器且在其側向位置處利用螺栓連接到所述海拔高度組件。
30.一種防反衝天線運動的雷達,其包括: a.基座，所述基座用於支撐所述雷達； b.旋轉組件，所述旋轉組件由所述基座支撐，所述旋轉組件包括從所述旋轉組件向上延伸的轉盤； c.諧波驅動器，所述諧波驅動器具有中空中心以及與所述轉盤的旋轉軸線沿軸向對準的旋轉軸線，所述諧波驅動器包括用於輸出旋轉運動的柔輪構件，其中所述柔輪構件旋轉地聯接到所述轉盤； d.海拔高度驅動組件，所述海拔高度驅動組件固定到所述轉盤且由所述轉盤支撐； e.滑環組件，所述滑環組件定位在所述轉盤上方，並且操作地聯接到所述轉盤，所述滑環組件包括從所述滑環組件的非旋轉部分相對於基座向下延伸穿過所述諧波驅動器的軸向中心的電纜； f.天線組件； g.框架組件，所述框架組件用於將所述天線組件支撐在所述海拔高度組件上；以及 h.其中所述海拔高度驅動器包括用於使所述框架組件上升和下降的諧波驅動器。
【文檔編號】G01S13/53GK104169736SQ201280071498
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2012年12月27日 優先權日:2012年1月20日
【發明者】M·B·奈特, J·C·范寧, J·R·赫爾溫, M·A·瓊斯, N·E·勞倫斯, D·施密特 申請人:企業電子公司