采用用于防反冲天线运动的谐波驱动器的可运输雷达的制作方法
【专利摘要】本发明涉及可运输天气雷达，其具有：雷达电子器件，其功能性地定位在海拔高度接头上方；以及框架上部结构，其旋转地连接到海拔高度接头，抛物线雷达天线安装到海拔高度接头上，以适应于多普勒天气雷达应用。雷达具有旋转驱动组件，其安装在海拔高度接头和谐波驱动单元下方并且支撑海拔高度接头和谐波驱动单元，谐波驱动单元定位在海拔高度接头中，使得天线可以在旋转改变期间没有显著反冲的情况下进行旋转。旋转接头中的中空中心允许电子器件缆线穿过接头的中间，并且向下穿过旋转组件而延伸到雷达基座中或附近的电子器件。
【专利说明】采用用于防反冲天线运动的谐波驱动器的可运输雷达
【技术领域】
[0001]本发明整体涉及雷达。更具体地，本发明涉及多普勒雷达，其具有位于海拔高度定位系统之上的所有必要的电气发射和接收部件。甚至更加具体地，本发明涉及利用谐波驱动器以定位天线组件的天气雷达。
【发明内容】
[0002]可运输天气雷达包括:雷达电子器件，其功能性地定位在海拔高度接头上方；框架上部结构，其旋转地连接到海拔高度接头；旋转驱动组件，其安装在海拔高度接头和驱动组件下方并且支撑海拔高度接头和驱动组件，雷达天线安装在海拔高度接头和驱动组件上；以及谐波驱动单元，其定位在海拔高度接头中，使得天线可以在旋转改变期间没有显著反冲的情况下进行旋转。具有中空中心的方位角驱动组件包括用于天线组件的方位角旋转的谐波驱动组件。
【专利附图】
【附图说明】
[0003]在形成本公开的一部分的附图中示出了结合有本发明的特征的雷达，其中:
[0004]图1为整个雷达在其操作取向中的透视图；
[0005]图2为雷达在其操作取向中的后部透视图；
[0006]图3为上部结构的透视图，其附接有电子舱室组件，但是移除了雷达天线和波导管；
[0007]图4A为雷达的俯视图，示出了雷达部件的位于方位角连接部上方的部分；
[0008]图4B为雷达的左侧正视图，示出了雷达部件的位于方位角连接部上方的部分；
[0009]图4C为将左收发器连接到雷达天线的左波导管的俯视透视图；
[0010]图4D为将左收发器连接到雷达天线的左波导管的另一个透视图；
[0011]图5为安装到旋转驱动组件上的海拔高度驱动组件的透视图，其中框架上部结构和雷达天线被移除；
[0012]图6为海拔高度驱动组件的分解透视图，示出了处于组件的前侧和后侧上的帕尔帖冷却器；
[0013]图7为致动器驱动的海拔高度接头组件的分解透视图；
[0014]图7A为与海拔高度驱动组件壳体分离的组装的致动器驱动的海拔高度接头组件的插入透视图；
[0015]图8为被动式或非驱动的海拔高度接头组件的分解透视图；
[0016]图8A为与海拔高度驱动组件壳体分离的组装的被动式或非驱动的海拔高度接头组件的插入透视图；
[0017]图9为沿着图6中的线A— A截取的海拔高度驱动组件的水平截面图；
[0018]图10为基座的一个实施例的透视图，其中方位角驱动组件安装在该基座上；
[0019]图11为在相对于方位角驱动组件的匹配位置中延伸穿过滑环罐组件中心的光纤数据传输通道的透视图；
[0020]图12为方位角驱动组件的分解透视图，其中覆盖件被移除；
[0021]图13为沿着图11中的线B— B截取的方位角驱动组件的竖直截面图；
[0022]图14A和14B为雷达收发器的透视图，其中图14B示出了维护覆盖件被移除的收发器；
[0023]图15为位于海拔高度驱动组件内的中频数字转换器的部件示意图；以及
[0024]图16为雷达中的主要电气部件的功能示意图。
【具体实施方式】
[0025]参考附图以便更好地理解本发明的功能和结构，从图1中可以看到，雷达10包括抛物线天线11以及定位在抛物线天线11中心内的正模馈电喇机12。馈电喇机12利用四个支撑支架13与天线表面间隔开并被支撑在天线表面上方，这些支撑支架将馈电喇叭相对于天线表面53定位在最佳发射和接收部位处。一对波导管14沿着顶部的两个支架13定位并且由这两个支架支撑，由此将馈电喇叭12中的水平和竖直腔室通过在天线表面中形成的孔口而与电子器件舱室16和16'连接，如图所示。一对伴随波导管15在每个侧前部波导管上将天线表面孔口与电子器件舱室桥接。这些舱室16是“鞍囊”子组件模块16，其保持用于发射、接收和处理雷达能量分量的电子器件，并且由雷达10的上部结构框架17支撑。这些子组件通过螺栓连接到框架17上，并且可以被移除以根据需要进行维护和更换。三个附加隔室40位于框架17的上表面上，并且还可以根据需要来保持电子器件。
[0026]结合图1，从图2中可以看到，天线11和框架上部结构17安装在海拔高度驱动子组件20上，使得上部结构17能够与所附接的天线11 一起相对于支撑雷达基部28的水平面上下旋转，旋转的范围为大约-12度至109度。上部结构17包括由相对的一对海拔高度接头22、22^旋转地支撑的焊接的侧支撑面板25、25^，左侧的支撑面板25'由定位在驱动子组件20中的谐波驱动器驱动和控制，右侧的支撑面板响应于左侧的谐波驱动器的运动而被动地旋转。海拔高度驱动组件由旋转驱动系统26旋转地支撑,该旋转驱动系统座置在基座18和金属基部28上并且由基座和金属基部支撑。基部28焊接到基座18的下部部分，并且可以通过螺栓连接到另一个支撑结构(未示出)，例如移动拖车组件，以允许容易地移动和运输雷达10，或者可以利用安装螺栓或拉力螺钉连接到静止的混凝土基部以形成固定工位。
[0027]额外参考图3，电子器件容纳在通过螺栓连接到每个上部结构侧面板25、25'上的鞍囊隔室16中，并且通过一系列流体管进行冷却，这些流体管蜿蜒穿过每个隔室以从电气系统吸收热，并且将热传递到定位在上部结构17下方的冷却部件的组件29。每个组件29包括帕尔帖冷却板31、热交换器32和冷却风扇30，它们安装在一起以便于去除上部结构外壳内的热。可以注意到，多个这样的冷却组件29定位在上部结构上不同部位处，例如海拔高度驱动组件20的前部和后部上，以及隔室16的内表面上。
[0028]上部结构还支撑有三个附加隔室40，多种电子器件可以保持在这些隔室中。优选地，中心隔室40保持IFD数字转换器(参见图15和16)。在中心隔室的右侧或左侧，一个向下倾斜的隔室40可以保持基座控制器，另一个隔室可以保持温度控制器。
[0029]在每个侧子组件模块16下方，泵34通过螺栓连接到模块16的下表面，以将冷却剂流体驱动到每个模块16之后和上部结构17的侧面板25中，并且驱动返回到每个冷却组件29。另外，泵34还可以将流体泵送到每个上部隔室40中的热交换器，以冷却这些隔室中的电子器件，其中隔室40中的温度控制器根据用户选择的温度调节设定而控制泵34。优选地，AN(海军航空)配件和管件将用作从泵34到每个模块内的各个热交换器的流体管道。这种布置形成冷却充压室，以用于容纳在模块16、16'中的电子器件、隔室40中的电子器件、以及控制框架17的海拔高度运动的驱动致动器。这样的主动冷却允许较高功率的雷达发射电子器件定位在隔室16和40中，同时保留较为容易的维护入口。
[0030]跨越侧面板25、25'的前边缘，通过将天线螺栓连接到在天线框架41中形成的周边凹部43中，天线安装框架41刚性地支撑天线11，如图所示。天线11包括一体的基部部分52，该一体的基部部分从天线上的内抛物线反射性表面53向后延伸，以提供平的基部，该平的基部的尺寸形成为用以匹配凹部43并且用于利用螺栓将天线的后部刚性地固定到框架41。
[0031 ] 现在参考图4A-4D，可以看到，一对前波导管14定位到天线11的内部上，并且由支架13支撑。一对孔口 37定位在天线11中，以允许每个前波导管14的一个端部配合到天线，同时允许雷达信号横穿天线以从正模馈电喇叭13进行发射和接收。对应的一对后波导管15在孔口 37处将波导管14的最后侧部分连接到模块16中的波导管发射端口 38。如图4C-4D所示，后波导管15的形状形成为便于经由天线11将雷达波发射到由模块16容纳的收发器电子器件以及从该收发器电子器件接收雷达波。有关雷达10中使用的波导管的构造和定位的进一步的讨论将被省略，原因是波导管的使用和构造在工业中是已知的，并且对于本文所述的发明的完全理解而言不是必要的。
[0032]如图5所示，海拔高度驱动组件20可旋转地安装到旋转驱动组件26上。海拔高度驱动组件20包括每一侧上的旋转海拔高度接头22，这些接头通过内部驱动系统彼此沿轴向对准，如进一步讨论的。组件的壳体56用作旋转驱动组件26和框架上部结构17之间的竖直支撑框架，并且通常可以由锻造钢件形成，或者由实心钢件精密加工而成。壳体56的中空内部保持海拔高度驱动部件和冷却系统。壳体56包括形成的侧延伸部59，该侧延伸部的尺寸形成为使得每个海拔高度接头22上的外部安装螺栓62匹配在上部结构17的下部支撑面板25、25'中形成的安装孔42。为了进行冷却，壳体56包括通过螺栓连接到壳体56上的三个金属检查孔板57，其中两个检查孔板上安装有冷却组件29，如图所示。组件20的下端部58包括卡圈构件61，下端部58通过该卡圈构件连接到旋转驱动系统26并且由该旋转驱动系统支撑。
[0033]现在参考图6，可以看到，帕尔帖冷却板31包括背部表面35，该背部表面延伸穿过在维护检查孔板57中形成的孔口 39，从而在驱动组件20的内侧上提供最佳的冷却表面。可以理解，表面35提供从与表面35相邻地定位的容纳冷却剂的铜管的热传递通路，该冷却剂可以在驱动组件20中循环，以从关键的内部部件去除热。此外，电子部件可以安装在表面35上或附近以用于进行冷却。
[0034]海拔高度接头22、22'包括旋转组件64和64'，旋转组件沿着轴线63彼此轴向地对准，并且经由框架上部结构17相对于彼此在旋转上锁定。旋转组件64是被动式的，从而以与旋转组件64'相同的角度关系提供旋转支撑。旋转组件64'包括驱动致动器系统，并且还包括冷却夹套79，该冷却夹套通过卷绕在夹套79内且围绕驱动马达的径向铜管连续地供应冷却的水。内部泵(未示出)将液体冷却剂从每个夹套79泵送到前述帕尔帖冷却表面35，以便通过冷却组件29从驱动组件64耗散热。虽然当前盘绕的铜管是优选的，但是发明人能够想到使用由夹套79保持的冷却剂贮存器，以提供较大的冷却表面积和增强的热去除。
[0035]现在参考图7和7A，可以看到，旋转组件64'包括一系列垫圈、O形环和夹持板，驱动致动器78通过它们可以产生旋转力。驱动致动器78优选地包括中空轴、应变波致动器，例如由位于马萨诸塞州波士顿的谐波驱动技术(Harmonic Drive Technologies) (aka谐波驱动有限公司(aka Harmonic Drive, LLC))在其SHA型号系列下提供的谐波驱动器。驱动致动器的内部上的传感器(未示出)监测驱动轴旋转速度、方向和角度位置，从而可以获得输出轴的精确控制，并且由此获得连接上部结构17和天线11的接头22的旋转的精确控制。因为接头22和22'之间的旋转运动被锁定，所以致动器78的运动引起接头22中的响应且同步的旋转运动。
[0036]对于本公开而言，术语“谐波驱动器”用作对于各种工业中已知的且在20世纪50年代提出的“应变波致动器”的通用名称。应变波致动器具有三个主要部分:波发生器、柔轮和圆形脊。波发生器是轴承和称为波发生器插塞的钢盘的组件。波发生器插塞的外表面具有被加工到精确规格的椭圆形形状。特别设计的滚珠轴承被压在该轴承插塞周围，使得轴承贴合与波发生器插塞相同的椭圆形形状。柔轮是薄壁钢杯，在杯的开口端附近的外表面上加工有齿。大直径的杯允许其沿径向适形，但仍然保持扭转刚度，并且其在一个端部处具有刚性凸台，以提供粗糙的安装表面。在组装期间，波发生器在与柔轮齿相同的轴向位置中插入到柔轮中。杯的边沿附近的柔轮壁贴合与轴承相同的椭圆形形状，以便在其外表面上有效地产生椭圆形齿轮节圆直径。柔轮具有比圆形花键小的两个齿，使得当波发生器旋转一圈时，柔轮和圆形花键通过两个齿而移动，由此柔轮产生“波状”(由此而命名)运动。因此，当波发生器通过主功率源(通常是电动马达或伺服机构)而旋转时，该发生器经由柔轮构件沿着与主功率源相反的旋转方向向任何连接的外部元件施加旋转力。
[0037]这种布置的独特运动学特性允许谐波驱动器的齿接合在齿面的两侧上，从而使得高达30%的齿轮齿在柔轮的全部旋转期间进行接合，并且提供柔轮和功率源之间的高的力与旋转运动的比。常规的雷达设计使用常规的马达传动装置而使天线运动到期望位置，在该期望位置中，至多大约3-4%的齿轮齿啮合。但是这种低啮合传动装置通常由于齿轮齿间距和齿轮齿宽度之间的差而导致不期望的运动，称为“反冲”。反冲是不期望的旋转摆动，其可能在多轨道传动装置中导致意外的扭转运动。当齿轮齿因年久而磨损时，这种状况可能随着时间而进一步增大。然而，因为谐波驱动器具有高度的齿轮啮合，所以它们不会在运动期间导致反冲。除了其它优点之外，这使得雷达天线组件能够进行平滑的且良好的受控天空扫描，例如高精度的且可追踪的天线位置以及雷达组件内小马达或伺服机构的大功率杠杆作用。本发明结合有键旋转组件中的谐波驱动器，并且将这些驱动器与输出元件联接，这些输出元件加强了这样的驱动器的防反冲特性，如将要描述的。
[0038]驱动致动器78通过静止支撑板77利用螺栓70d连接到输出毂71，致动器壳体利用螺栓70a连接到该支撑板，并且致动器78通过O形环76与大气隔离。滚珠轴承73和一体的轴承/输出驱动管72支撑驱动轴间隔件74，使得毂71和输出驱动管可以自由地旋转，并且依靠的上部结构面板25'可以经由外部螺栓70c固定到该驱动管。端盖69利用螺栓70f连接到支撑板77，并且利用螺栓70e保持输出密封夹持件68。环密封件66利用螺栓70g将迷宫式密封件67压靠着夹持件68，从而防止外部大气进入海拔高度驱动组件20内部。
[0039]旋转组件64具有与组件64'类似的结构，但是省略了驱动致动器和冷却夹套元件78和79。如图8和8A所示，代替利用螺栓连接到致动器的旋转毂/轴承的是，旋转毂/轴承91具有利用螺栓连接到端盖69和支撑板77内部的外周边边缘。和在组件64'中一样，组件包括夹持件、O形环以及垫圈，以便将海拔高度驱动组件20与外侧环境在环境方面隔绝，如可以看到的。组件64省略了额外的滚珠轴承73和间隔件74，原因是组件64不包括如相对的组件64'中的驱动管。
[0040]如图9所示，壳体56的尺寸形成为用以将驱动组件64和64'以紧密的精度接收在壳体延伸部59中。在插入到延伸部59中之后，每个驱动组件64、64'通过将静止支撑板77利用螺栓83连接到凸缘75而紧密地固定到周边凸缘75。此外，围绕组件64'中的致动器78的冷却夹套79定位在壳体56中，紧密贴合该壳体，以提供稳定性和隔离的冷却。夹套79内的管件80 (未示出)的入口和出口端部连接到循环泵(参见图2-3，泵34)，以便使冷却剂循环到帕尔帖板35和冷却夹套79以及从帕尔帖板和冷却夹套，以用于从驱动致动器78连续去除热。
[0041]如能够理解的，驱动组件64和64'是中空的，包括在每一端上的端盖69，端盖利用螺栓连接到侧面板附接部位42上。从而，将每一端上的端盖69固定到框架上部结构17上的螺栓62形成开口柱，该开口柱用于线材和缆线横穿每个组件64、64'而向上并进入到密封的侧面板25中，在该侧面板处可以获得用于保持在电气模块16中的电子器件的电气触及。优选地，功率和位置信号导体横穿非驱动的或被动式的组件64，并且用于传递数字化雷达数据信号的光纤缆线横穿被驱动的组件64'。
[0042]现在参考图10，可以看到，海拔高度驱动组件20旋转地支撑在旋转驱动组件26上。海拔高度驱动组件20的下部部分58包括安装卡圈61，该安装卡圈具有螺纹孔口(未示出)的周边布置，该螺纹孔口定位成用以接纳从支撑环带102向上延伸的一系列螺栓101。旋转接头封装体116支撑在支撑环带102内，并且当安装卡圈61利用螺栓连接到环带102上时延伸并保持到海拔高度组件20的下端部58中。旋转驱动器壳体81保持座置在基座18的顶部上的旋转致动器103和冷却夹套104。基座18包括维护进入通路84，并且其下端部焊接到基座支撑基部28上。NEMA型封装件可以利用螺栓连接到进入通路84的周边凸缘上，以容纳各种类型的附加电子器件。例如，网络路由器、功率源电子器件和基座电子器件(即用于海拔高度和旋转组件的控制器)可以全部容纳在NEMA封装件中，以作为对类似上部结构17上的隔室40的其它位置的可选方案。
[0043]放大的视图11示出了定位在旋转接头封装体116中且由该旋转接头封装体支撑的光纤旋转接头107。旋转接头封装体116包括由转子支撑环111 (顶部)和定子支撑环112 (底部)支撑的单个通道滑环组件108，每个支撑环包括至少4个导体开口 113，线材(未示出)可以通过该导体开口进入定位在滑环组件108的顶部和底部上的导体以及从这些导体离开。通常，飞线式线材连接到滑环108上的顶部和底部导体，以允许将电力提供给方位角接头23上方的部件并且将海拔高度命令信号提供给驱动致动器78。光纤旋转接头(“F0RJ”)107优选地是单通多模式类型，例如由加拿大的焦点技术公司(FocalTechnologies Corporat1n)制造的型号N0.286。可以看到,滑环108应当是通孔类型,例如由维吉尼亚州的布莱克斯堡的Moog Components Group制造的零件号为N0.AC6275的类型，或类似类型，使得与光纤旋转接头107的非旋转(下部)部分连接的光纤线路(未示出)可以横穿滑环108的中心，并且向下穿过旋转致动器组件121沿着垂直轴线125 (参见图12)。消旋支架117抵靠一体地形成到安装盘中的转矩臂，该安装盘围绕和支撑光纤旋转接头107，使得光纤旋转接头107的上部部分保持与罐116和其它旋转组件(例如天线11和上部结构17)旋转且锁定对准。
[0044]现在参考图12和13，滑环罐116包括固定到其下表面的安装板122，该安装板抵靠并利用螺栓131固定到转盘123。输出端盖127利用螺栓138固定到旋转驱动组件壳体81，并且包括若干垫圈和密封件以将驱动组件26内部与环境隔离。转盘123具有下端部，该下端部延伸穿过输出端盖127以与输出驱动器毂126匹配，该输出驱动器毂在柔轮处固定到致动器103。与海拔高度驱动组件20 —样，驱动致动器103优选地包括中空轴、应变波致动器，例如由位于马萨诸塞州波士顿的谐波驱动技术(Harmonic Drive Technologies)在其SHA型号系列下提供的谐波驱动器。驱动致动器103的内部上的传感器(未示出)监测驱动轴旋转速度、方向和角度位置，使得能够利用定位在基座18内的控制器电子器件、或者附接到进入通路84或处于上部结构17的中心隔室40中的相邻电子器件机柜(未示出)实现输出轴的精确控制。旋转驱动器包括接纳立管128的中空中心120，该立管延伸穿过中心120并且与立管接收器129匹配。中空中心120的底部包括引导圆筒139和支撑硬件141，以将致动器103支撑和固定到夹套支撑组件143上。夹套支撑组件还容纳冷却夹套104，该冷却夹套包括铜管盘柱，该铜管盘柱围绕致动器103并且在冷却剂流体流过盘管时冷却致动器103。夹套支撑组件143包括配件，该配件用于连接到铜盘管并且用于将驱动单元103固定到支撑组件143。组件143还包括引导销147，该引导销将组件143锁定到基部144中，并且抵抗旋转。基部144还包括引导孔口 146，该引导孔口提供开口，该开口用于诸如光纤缆线的线材和缆线穿过基部144进入到基座18的内部中。
[0045]现在具体转到图13，可以看到轴承136座置在输出盖127上，并且通过形成在立管128中的凸缘135保持就位。该轴承保持立管128与滑环108的非旋转下部部分静态对准，同时允许输出毂126和螺栓连接的转盘123绕立管128自由旋转。输出毂126由致动器103内部的轴承(未示出)支撑，该轴承由致动器103的壳体支撑。致动器103的壳体继而由支撑组件143支撑，该支撑组件由基座18支撑。从而，在输出毂126和转盘123旋转期间，转盘123、输出毂126和致动器103的壳体支撑雷达10的整个上部部分。但是，因为致动器103是中空的，所以立管128提供中空管道，与光纤旋转接头107的非旋转下端部连接的光学通信缆线可以穿过该中空管道，向下穿过下部孔口 146并且进入到基座18中，在基座处缆线可以与基座内的电子器件连接。与滑环108的非旋转下部部分连接的电导体(未示出)也可以自由地穿过立管128而进入基座18。
[0046]旋转驱动器壳体81在其表面上形成有多个冷却翅片135，以帮助冷却夹套104从驱动致动器103耗散热，并且用于保持两个阀149。这些阀149旋转座置在壳体81中，并且延伸穿过壳体而进入到组件26内部。在内部压力由于组件26内的内部热而到达预定极限且需要被释放的情况下，阀提供压力释放孔口。在铜盘管升级为如前所述的用于海拔高度组件20内的夹套79的全贮存器设计的情况下，这些阀还可以旋转地移除，使得冷却剂流体可以增加到冷却夹套贮存器。
[0047]现在参考图14A-14B，鞍囊隔室16包括处于电子器件隔室或舱室161中的收发器电子器件组件160。舱室161接纳覆盖件163，该覆盖件利用多个闩锁169和密封垫圈固定到该舱室。当覆盖件利用闩锁169定位在隔室161之上时，隔室161受到保护并与环境隔离。舱室161可以利用螺栓162固定到上部结构侧面板25，但是后电子器件通信端口(未示出)提供从舱室161的后表面进入到依靠的侧面板25中的进入通路，使得一个或多个光纤通信缆线以及高速数据和电力缆线可以从收发器组件160延伸到海拔高度组件20中。如上所述，海拔高度接头22和22'在附接点42处附接到侧面板25，每个侧面板具有中空空间，这样的通信和电力线路可以延伸穿过该中空空间而不会经历旋转扭曲。旋转接头116和光纤旋转接头107还用于这样的通信和电力线路横穿旋转组件26而进入基座18。
[0048]舱室160保持功率源168、雷达发射器167和雷达接收器166。波导管端口 38利用螺栓连接到后波导管15上，使得来自发射器167的射频传输可以传播到天线11，并且由接收器166接收和处理雷达反射信号。有关收发器组件160中的电子器件的操作和工作的进一步讨论被省略，原因是这样的部件是可商购获得的，并且对于本文所述的发明的完全理解而言不是必要的。
[0049]参考图15，中频数字转换器(“IFD”)190优选地容纳在上部结构17的中心隔室40中，并且由与IFD相邻地定位的管件中的液体冷却剂进行冷却。通过温度调节装置控制泵34的使流体运动到热交换器29的致动，该温度调节装置容纳在中心隔室40的侧面上的倾斜隔室40中。作为另外一种选择，IFD可以安装到海拔高度组件20的覆盖件57的内侧，从而具有靠近冷却组件的优点。例如，IFD190可以在内部冷却传递表面上固定到一个检查孔板57上，使得IFD产生的热可以容易地由相邻的冷却组件29去除。IFD190可以以任何常规的方式固定到板57上，如本领域中已知的。
[0050]IFD190的主要目的是以最小的计算量将来自接收器160的模拟中频(“IF”)信号数字化。IFD190包括电路，该电路将到达雷达接收器的信号转换为过滤的且数字化的积分I/Q数据流。这是雷达中的关键功能，并且根据多个操作因素，例如雷达使用什么样的传输频率，针对每个雷达在动态范围、线性度、距离分辨率、通带灵活性和数据通过量方面优化IFD。有时为数字接收器而保留以例如获得1、Q和短脉冲统计资料的函数优选地在IFD190上执行，并且将包括用于接收器的动态“I”和“Q”值的匹配过滤和提取。另外，iro在频率、相位和振幅方面分析雷达中的短脉冲，以提供数字相位锁定、AFC以及先进的处理和控制。
[0051]IFD190包括现场可编程门阵列(FPGA)中的16字节的高速数字转换器192，该数字转换器将接收到的以60MHz的中频返回的水平和竖直雷达数字化。IF信号以16字节的精度采样，采样率取决于雷达传输的类型。通常，采用率为大约76.7239MHz，其能够优选地使得范围门配合合理地进入1-Km，但是也可以任选地提供高达10MHz的其它采样频率。在数字化之前，IF信号通常通过用于60MHz的IF应用的三极滤波器进行滤波，但是在从10至170MHz的范围上可以提供其它IF频率或者甚至宽带操作。
[0052]在转换到数字域之后，数字水平和竖直I/Q数据经由光纤缆线187从IFD190发送到信号处理器和主计算机，该光纤缆线位于旋转接头23下方，并且通常位于基座18中或者处于靠近地定位的计算机机柜(未示出)中。具有对IFD190的五个IF输入191:CH1_CH4和TXS。通常，通道1-4成对地使用，一对用于水平接收器，一对用于竖直接收器，每一对都接收具有重叠动态范围的中间信号，这将提供比利用单个A/D转换器能够获得的更大的系统动态范围。TXSIF通道用来对发射器输出波形(对于非相干的和被驱动的发射器两者)进行采样，使得接收到的信号可以在脉冲-脉冲基础上针对发射器相位和振幅进行修正。该数字COHO函数通常精确到0.02度。
[0053]数字化的IF信号利用可调谐数字局部振荡器176被转换为基带I/Q数据，并通过数字滤波器进行处理，以形成可接受的IF通带形状和范围门分辨率。然后，数字IF信号离开IFD端口(193、194、196)而沿着2.5Gb/秒的光纤缆线传递到前述数字处理单元，其中由千兆以太网线提供命令/控制/状态信息。该单元设置有能够用于特定应用的九个完全可编程触发器、串行角度输入端口和其它I/O端口。可选的同步信号198也能由IFD使用。
[0054]现在参考图16，可以看到IFD190在功能上定位在如前所述处于舱室161中的一对收发器171和172与地面信号处理电子器件174之间。通常，一个收发器发射水平射频信号并且接收由天线11和正模馈电喇叭12收集的水平射频反射数据，而另一个收发器以类似的方式发射和接收竖直信号。上/下转换器173将信号向上或向下转换为中频信号，然后该中频信号可以被IFD190数字化。来自于基准振荡器176的基准信号管理转换器173中的转换过程。一旦数字化，一个或多个光纤缆线187和以太网线188就将数据通过方位角滑环组件116传递到地面处理设备174，或者传递到其它远程客户端计算机177。
[0055]每个收发器171、172包括带通滤波器181、多个匹配的放大器186 (例如功率放大器)以及方向耦合器183。射频开关182控制可能被传输用于水平或竖直传输通道的传输功率大小，并且循环器199将传输功率与接收器内的收集反射信号的部件保护和隔离，以防止对部件造成伤害。低噪声放大器184接收通过波导管14、15从天线11传播的雷达反射信号，并且将这些信号转换为能够由同轴缆线传递到其它接收器元件的电信号。
[0056]雷达10包括由基座18保持的信号处理电子器件以处理雷达反射数据并且提供用于方位角和高度组件中的驱动致动器的运动控制。这样的处理电子器件可以保持在辅助电子器件中，保持在与基座18的外部上的维护进入通路84固定的在环境上隔绝的NEMA式隔室中。其它的机柜也可以根据需要连接到基座基部28且与基座基部相邻地安装。虽然本文所述的雷达10的当前实施例将雷达信号处理单元定位在基座18中或上，但是发明人能够想到将这样的电子器件整合在框架上部结构17中或上、整合在电子器件隔室16中或上、或者保持在海拔高度驱动组件20中，原因是这样的电子器件随时间而收缩。
[0057]在操作中，雷达10将X带雷达波通过每个传输平面中的每个波导管14-15同时进行传输，然后它们可以通过每个波导管14-15接收反射信号。传输发生自收发器171和172中的发射器，并且反射信号由每个收发器中的接收器元件进行处理。数字化的反射信号经由光纤缆线187向下通过传递壳体20和旋转驱动组件而传递到处于基座18内的一个或多个信号处理器，或者保持在离座工作站(未示出)的处理卡中。如上所示，光纤旋转接头定位在旋转驱动组件的中心中，以允许光纤的上部部分相对于光纤旋转接头的下部部分自由地旋转。前述雷达构造允许数字化反射数据直接传输到信号处理器，而不会由于使用滑环通过海拔高度和旋转接头传输反射信号导致失真，由此保留反射数据，以允许优异的天气数据分析。
[0058]虽然已经以一种形式示出了本发明，但是对于本领域技术人员而言明显的是，本发明并不限于此，而是能够在不脱离本发明的精神的情况下容易地进行各种改变和修改。
【权利要求】
1.一种防反冲运动的多普勒雷达，其包括: a.基座，所述基座用于支撑所述雷达； b.旋转组件,所述旋转组件由所述基座支撑,所述旋转组件包括谐波驱动致动器； c.海拔高度组件,所述海拔高度组件由所述旋转组件旋转支撑并且由所述谐波驱动致动器驱动，所述海拔高度组件包括安装在所述海拔高度组件的相对两侧上的沿轴向对准的两个海拔高度接头； d.框架上部结构，所述框架上部结构由所述海拔高度接头绕所述海拔高度组件旋转地支撑并且跨越所述海拔高度接头，所述框架上部结构包括跨越所述海拔高度组件的单独的天线安装框架；以及 e.抛物线天线组件，所述抛物线天线组件安装在所述天线安装框架上，所述抛物线天线组件具有正模馈电喇叭和与所述正模馈电喇叭连接的至少一个波导组件，以用于与收发器组件进行双向通信。
2.根据权利要求1所述的雷达,其还包括处于所述海拔高度接头中的一个海拔高度接头中的谐波驱动器，从而所述谐波驱动器的旋转使所述天线组件提升。
3.根据权利要求2所述的雷达，其还包括滑环组件，所述滑环组件定位在所述海拔高度组件的下部部分中并且操作地连接到所述旋转组件中的所述谐波驱动致动器。
4.根据权利要求3所述的雷达，其中所述海拔高度接头中的一个海拔高度接头包括输出毂、支撑板和端盖，所述输出毂操作地连接到所述谐波驱动致动器的旋转输出，其中所述输出毂旋转地保持在所述支撑板和所述端盖之间，并且其中所述输出毂的一部分延伸穿过所述端盖以用于将该部分连接到所述框架上部结构，并且其中所述支撑板保持所述谐波驱动致动器且在其侧向位置处固定到所述海拔高度驱动组件。
5.根据权利要求4所述的雷达，其中所述旋转组件包括冷却组件，所述冷却组件围绕所述谐波驱动致动器以用于冷却所述谐波驱动致动器。
6.根据权利要求4所述的雷达，其中所述旋转组件限定了与所述旋转组件的旋转轴线共延的中空圆筒，并且允许电缆穿过所述中空圆筒。
7.根据权利要求6所述的雷达，其中所述海拔高度接头中的所述一个海拔高度接头限定了与所述海拔高度接头的旋转轴线共延的中空圆筒，以允许电缆穿过所述中空圆筒。
8.根据权利要求6所述的雷达，其中所述旋转接头的中空圆筒包括至少一个电缆定位在所述圆筒中，使得所述海拔高度接头的旋转不会干扰所述至少一个电缆的旋转对准。
9.根据权利要求1所述的雷达，其中所述旋转组件还包括壳体，所述壳体围绕所述旋转组件并由所述基座支撑，并且其中所述旋转组件还包括:输出盖，所述输出盖具有固定到所述壳体的上部边缘上的下部周边凸缘；输出毂，所述输出毂旋转地固定到所述谐波驱动致动器的输出部分并延伸穿过所述输出盖；以及转盘，所述转盘具有支撑所述海拔高度组件的上表面和固定到所述输出毂的下部部分。
10.根据权利要求9所述的雷达，其中所述旋转组件限定了与所述旋转组件的旋转轴线共延的中空圆筒，并且允许电缆穿过所述中空圆筒。
11.根据权利要求10所述的雷达，其中所述海拔高度接头中的所述一个海拔高度接头限定了与所述海拔高度接头的旋转轴线共延的中空圆筒，以允许电缆穿过所述中空圆筒。
12.根据权利要求11所述的雷达，其中所述旋转组件能够进行360度旋转。
13.根据权利要求1所述的雷达，其中所述旋转组件还包括由所述基座支撑的壳体，所述谐波驱动致动器使其壳体的一部分固定到所述旋转组件的壳体并由所述旋转组件的壳体支撑，并且其中所述旋转组件还限定了沿着其旋转轴线延伸的中空圆筒，所述旋转组件包括立管，所述立管固定到所述旋转组件的下部部分上并延伸穿过所述中空圆筒而进入所述海拔高度组件。
14.一种多普勒雷达系统，其包括: a.基座装置，其用于提供基座以支撑所述雷达系统； b.天线组件装置，其用于与雷达接收器进行双向雷达通信，所述天线组件装置包括用于垂直波朝向所关注的天气现象传输的装置并且还包括用于波导管与雷达收发器双向通信的装置； c.旋转装置，其由所述基座装置支撑以用于使所述天线组件装置旋转，所述旋转装置包括谐波驱动致动器； d.下降和倾斜装置，其由所述旋转装置旋转地支撑，以用于使所述天线组件装置下降和向上倾斜； e.框架装置，其用于提供框架上部结构以用于将所述天线组件装置支撑在所述下降和倾斜装置上，其中所述框架装置还包括用于将所述天线组件装置连接到所述框架装置的安装装置，并且其中所述安装装置跨越所述下降和倾斜装置；以及 f.其中所述下降和倾斜装置还包括旋转连接装置，以用于将所述天线组件装置旋转连接到所述框架装置。
15.根据权利要求14所述的雷达，其还包括谐波驱动器，所述谐波驱动器处于所述旋转连接装置中，以用于引起所述框架装置的运动。
16.根据权利要求15所述的雷达，其中所述旋转装置还包括由所述基座装置支撑的壳体，并且其中所述旋转装置还包括:输出盖，所述输出盖具有固定到所述壳体的上部边缘上的下部周边凸缘；输出毂，所述输出毂旋转地固定到所述谐波驱动致动器的输出部分并延伸穿过所述输出盖；以及转盘，所述转盘具有支撑所述下降和倾斜装置的上表面和固定到所述输出毂的下部部分。
17.根据权利要求16所述的雷达，其中所述旋转装置限定了与所述旋转装置的旋转轴线共延的中空圆筒，以允许电缆穿过所述中空圆筒。
18.根据权利要求17所述的雷达，其中所述旋转连接装置还包括输出毂，所述输出毂操作地连接到所述谐波驱动致动器的旋转输出，并且其中所述旋转连接装置包括保持所述输出的端盖和支撑板，并且其中所述输出毂的一部分延伸穿过所述端盖以用于将该部分连接到所述框架装置，其中所述支撑板保持所述谐波驱动器且在其侧向位置处利用螺栓连接到所述下降和倾斜装置。
19.根据权利要求17所述的雷达，其还包括滑环组件，所述滑环组件定位在所述下降和倾斜装置的下部部分中并操作地连接到所述旋转装置中的所述谐波驱动致动器，并且其中所述旋转装置还包括电缆，所述电缆的一个端部在其相对于所述旋转装置的下部非旋转位置中与所述滑环组件电接触，并且所述电缆的其余部分延伸穿过所述旋转装置的所述中空圆筒并延伸到所述基座装置中。
20.一种在多普勒天气雷达系统中在没有反冲的情况下定位天线组件的方法，所述雷达具有:基座；旋转组件，其由所述基座支撑；海拔高度组件，其由所述旋转组件旋转地支撑；框架上部结构，其由所述海拔高度接头绕所述海拔高度组件旋转地支撑并且跨越所述海拔高度接头；以及抛物线天线组件，其安装在所述框架上部结构上，所述抛物线天线组件具有正模馈电喇叭和与所述正模馈电喇叭连接的至少一个波导组件，以用于与收发器组件进行双向通信，所述方法包括以下步骤: a.利用定位在所述海拔高度组件上的谐波驱动致动器使输出毂旋转，其中所述输出毂旋转地连接到框架上部结构，从而所述输出毂的旋转引起所述天线组件的下降和上升； b.利用定位在所述旋转组件中的谐波驱动致动器使输出毂旋转；以及 c.响应于预先编程的设定而改变步骤a-b，使得所述天线组件经过天空，以针对天空的预定部分获得天气反射数据。
21.根据权利要求20所述的方法，其还包括步骤:使数字化的数据通过定位在位于所述旋转组件中的所述谐波驱动器的轴向中心处的缆线进行传递。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述缆线包括光纤。
23.根据权利要求21所述的方法，其还包括通过定位在所述海拔高度组件中的滑环组件传递电信号。
24.根据权利要求23所述的方法，其还包括步骤:通过由所述滑环组件支撑的光纤旋转接头传递光学数据信号。
25.一种防反冲多普勒天气雷达，其包括: a.基座，所述基座用于支撑所述雷达，所述基座具有在其下端部处的径向基部和用于保持电子器件的中空内部； b.旋转组件,所述旋转组件由所述基座支撑，所述旋转组件包括壳体和谐波驱动致动器，所述谐波驱动致动器连接到所述壳体并由所述壳体支撑； c.海拔高度组件，所述海拔高度组件旋转地支撑在所述旋转组件上，所述海拔高度组件包括固定到所述海拔高度组件的外部上的至少一个海拔高度接头，其中所述海拔高度接头限定了沿着其旋转轴线延伸到所述海拔高度组件的内部中的空的圆筒； d.框架上部结构，所述框架上部结构具有至少一个依靠面板，其中所述框架上部结构通过所述至少一个海拔高度接头旋转地支撑在所述依靠面板处，并且其中所述框架上部结构包括跨越所述海拔高度组件的单独的天线安装框架；以及 e.抛物线天线组件，所述抛物线天线组件安装在所述天线安装框架上，所述抛物线天线组件具有正模馈电喇叭和与所述正模馈电喇叭连接的至少一个波导组件，以用于与收发器组件进行双向通信。
26.根据权利要求25所述的雷达，其还包括处于所述海拔高度接头中的一个海拔高度接头中的谐波驱动器，从而所述谐波驱动器中的输出元件的旋转使所述天线组件提升。
27.根据权利要求26所述的雷达，其中所述旋转组件还包括:输出盖，所述输出盖具有固定到所述壳体的上部边缘上的下部周边凸缘；输出毂，所述输出毂旋转地固定到所述谐波驱动致动器的输出部分并延伸穿过所述输出盖；以及转盘，所述转盘具有支撑所述海拔高度组件的上表面和固定到所述输出毂的下部部分。
28.根据权利要求27所述的雷达，其中所述谐波驱动致动器使其壳体的一部分固定到所述旋转组件的壳体并由所述旋转组件的壳体支撑，并且其中所述旋转组件还限定了沿着其旋转轴线延伸的中空圆筒，所述旋转组件包括立管，所述立管固定到所述旋转组件的下部部分上并延伸穿过所述谐波驱动致动器而进入所述海拔高度组件。
29.根据权利要求27所述的雷达，其中所述海拔高度接头还包括输出毂，所述输出毂操作地连接到所述谐波驱动致动器的旋转输出，并且其中所述海拔高度接头包括保持所述输出的端盖和支撑板，并且其中所述输出毂的一部分延伸穿过所述端盖以用于将该部分连接到所述框架，其中所述支撑板保持所述谐波驱动致动器且在其侧向位置处利用螺栓连接到所述海拔高度组件。
30.一种防反冲天线运动的雷达,其包括: a.基座，所述基座用于支撑所述雷达； b.旋转组件，所述旋转组件由所述基座支撑，所述旋转组件包括从所述旋转组件向上延伸的转盘； c.谐波驱动器，所述谐波驱动器具有中空中心以及与所述转盘的旋转轴线沿轴向对准的旋转轴线，所述谐波驱动器包括用于输出旋转运动的柔轮构件，其中所述柔轮构件旋转地联接到所述转盘； d.海拔高度驱动组件，所述海拔高度驱动组件固定到所述转盘且由所述转盘支撑； e.滑环组件，所述滑环组件定位在所述转盘上方，并且操作地联接到所述转盘，所述滑环组件包括从所述滑环组件的非旋转部分相对于基座向下延伸穿过所述谐波驱动器的轴向中心的电缆； f.天线组件； g.框架组件，所述框架组件用于将所述天线组件支撑在所述海拔高度组件上；以及 h.其中所述海拔高度驱动器包括用于使所述框架组件上升和下降的谐波驱动器。
【文档编号】G01S13/53GK104169736SQ201280071498
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2012年12月27日 优先权日:2012年1月20日
【发明者】M·B·奈特, J·C·范宁, J·R·赫尔温, M·A·琼斯, N·E·劳伦斯, D·施密特 申请人:企业电子公司