具有旋转天线的机载气象雷达的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种装载在飞行器上的气象雷达（11）。气象雷达包括固定到飞行器头部的壁（5）上的机械支撑件（14）。气象雷达（11）还包括被可移动地安装在机械支撑件上且能绕旋转轴线OX旋转的天线。天线包括其上设有至少一个叶片（16）的基座，叶片（16）沿旋转轴线OX放射状地延伸。叶片在包括轴线（OX）的平面中具有基本上为一部分圆锥形状的自由面，并且沿该自由面分布了多个辐射元件。本发明的优点是，在工作中，本发明的气象雷达包括仅沿轴线OX旋转的移动部分（16），并且对发射/接收方向的选择不再机械地执行，而是电子地执行。因此，无论气象雷达（11）是否处于工作中，气象雷达（11）的体积和长度L尤其根据圆锥的离心率和参数来确定。
【专利说明】具有旋转天线的机载气象雷达
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种安装在飞行器上的气象雷达。
【背景技术】
[0002] 参照图1，如现有技术中已知的那样，飞行器的头部4中的机载气象雷达1包括被 固定到机构3的天线2以及形成雷达波束的电子装置（图1中未示出）。
[0003] 机构3被固定到壁5,壁5从机身8的加压区域7中分出非加压区域6。天线2和 机构3被安装在形成机身8前端的雷达天线罩10和壁5之间的非加压区域6中。对它们 来说，电子装置被安装在加压区域7中。
[0004] 天线2包括在位于飞行器前部的区域中能够发射和接收雷达波的板。为此，机构 3提供了板围绕飞行器的偏航轴0Z和俯仰轴0Y的旋转。
[0005] 由于板绕两个轴的旋转，在使用中，这种类型的气象雷达呈现出与与球体体积相 似的大量空间需求。因此，为了容纳气象雷达1并且使得气象雷达1能够在非加压区域6 中运转，配备有这种气象雷达1的飞行器的雷达天线罩10的形状通常是半球形的，其具有 由气象雷达1的安装和运转所需的空间所施加的尺寸。
[0006] 这对于追求飞行器的最佳空气动力学轮廓而言是不利的，因为利用半球形的雷达 天线罩，空气边界层的分离发生在离飞行器的机身8的前端很近的距离处，并且由此增加 了空气阻力，因而增加了燃料消耗。
【发明内容】
[0007] 因此，本发明的目的是提出一种机载气象雷达，对于该机载气象雷达的安装和运 转期间二者而言，其具有低于现有技术已知的气象雷达的空间需求。
[0008] 为此，本发明的目的是一种用于安装在飞行器上的气象雷达，其包括天线和机械 支撑件以及电子扫描系统，该天线包括绕轴线0X (称为旋转轴线）相对于该机械支撑件旋 转地安装的基座，其特征在于，至少一个叶片被固定到该基座并且沿旋转轴线而放射状地 延伸，多个辐射元件沿不相邻于该基座的叶片一面(称为自由面）而分布，该自由面基本上 具有在包括旋转轴线的平面中与旋转轴线合并的焦轴的一部分圆锥的形状，每个辐射元件 都能够沿包含于平面中的轴线而辐射并且连接到所述电子扫描系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 参照附图，通过阅读本发明的优选实施例，本发明的其他特征和优点将变得明显， 其中：
[0010]-图1示意性地示出了现有技术中已知的机载气象雷达在飞行器头部中的安装；
[0011] -图2示意性地示出了本发明的机载气象雷达在飞行器头部中的安装；
[0012] -图3是图2所示的气象雷达的透视图；
[0013] -图4是沿图3中的线III-III的剖面图，并且示出了根据本发明的实施例的气象 雷达的辐射元件；
[0014] -图5是沿图3中的线IV-IV的剖面图；以及
[0015] -图6类似于图4地示出了根据本发明的另一实施例的气象雷达的辐射元件。
[0016] 在所有这些附图中，相同的参考标记表示相同或相似的元素。
【具体实施方式】
[0017] 参照图2和图3,示出了用于安装在飞行器头部4中的气象雷达11。已知地，基本 上平坦的壁5从机身8的加压区域7中限定出非加压区域6。因此，气象雷达11被安装在 雷达波可透过的形成机身8前端的雷达天线罩10和壁5之间的非加压区域6中。
[0018] 根据本发明的实施例的气象雷达11包括在机械支撑件14处围绕飞行器的纵轴0X 旋转地安装的天线。气象雷达11还包括电子扫描系统30、31、32、33 (参见图5)。
[0019] 通过基本上平坦的一面14a，使得天线能绕轴线0X旋转的机械支撑件14被固定到 壁5。
[0020] 天线包括与叶片16相关联的基座15,叶片16具有Μ个辐射元件ei，其中i=l^·· ，Μ。基座15被安装成在机械支撑件14上自由地绕轴线0X旋转。
[0021] 应当指出，在包括轴线0X的平面中，基座15例如具有基本上为锥体的形状，该锥 体的底部被固定到机械支撑件14。
[0022] 所述电子扫描系统被安装在基座15内部。
[0023] 参见垂直于轴线0X的平面中的剖面，叶片16具有基本上是平行六面体的形状，其 称为接触面的一面与基座15的母线接触。叶片中不相邻于基座15的那一面，也就是说对 着接触面的那一面，称为叶片的自由面18。沿着该相同的剖面，定义了其通过自由面18的 中心并且包括轴线0X的平面Λ。
[0024] 沿着平面Λ，叶片16的自由面18基本上具有焦点为0的一部分圆锥的形状，并且 其焦轴与0Χ合并。基座15和机械支撑件14被安装在圆锥的凹侧。如图3所示，辐射元件 ei是随着轴线0Χ、沿自由面18而被安装的。
[0025] 圆锥是指抛物线、双曲线或椭圆、以及圆的扩展。圆锥是由以下等式以极坐标 (P，Θ )来定义的：
[0026] ⑴
[0027] 其中，p是圆锥的参数(从焦点0到准线的距离)，e是离心率，Θ是轴线〇X与圆锥 中的点形成的角度。
[0028] 应当指出，在包括轴线0X的平面中，叶片例如具有相对于轴线0X的对称形状。
[0029] 叶片16与旋转轴线0X相交于点H，从而定义气象雷达11的端部。沿轴线0X，雷 达的长度L被定义为该端部Η和机械支撑件14的面14a上的一点之间的距离。雷达的长 度L尤其取决于圆锥的离心率和参数。
[0030] 图4所示的每个辐射元件ei包括有线部分20和具有焦轴δ i的对称抛物面反射器 21，其中i=l，"·，Μ。每个有线部分20沿相关联的抛物面反射器21的焦轴δ i排齐并且位于 该抛物面反射器21的焦点处。每个有线部分20都连接到例如借助于介电垫片（entrtoise dielectrique) 22而与其关联的抛物面反射器21。
[0031] 每个抛物面反射器21都在其顶点处被固定到叶片的自由面18,以使得其焦轴δ i 垂直于自由面18的切线。自由面18上的每个辐射元件ei的实现点被定义为与该辐射元 件相关联的抛物面反射器21的焦轴δ i在自由面18上的投影。
[0032] 辐射元件ei的实现点因此与轴线0X形成角度θ ρ
[0033] 每个有线部分20还连接到在与该有线部分相关联的抛物面反射器21的顶点处穿 过该抛物面反射器21的波导23。波导23被安装在被实现在叶片16中的通道中并且连接 到所述电子扫描系统。
[0034] 抛物面反射器的不同焦点是位于平面△中的焦线中的点。该焦线在任一点处都 平行于叶片16的自由面18。抛物面反射器21的焦轴δ i包含于平面Λ中并且垂直于该 焦线。
[0035] 注意，如图3所示，共用构件被用于形成辐射元件ei的抛物面反射器21。表示垂 直于轴线0X的平面中的对称抛物面部分的该共用构件被固定到叶片16的自由面18。例如 通过介电垫片22,每个有线部分20都连接到该共用构件。此外，如图3的例子所示，例如借 助介电垫片24,辐射元件 ei的有线部分20机械地彼此相连。介电垫片24还使有线部分彼 此隔离，并且因而使每个辐射元件ei离散。
[0036] 每个辐射元件ei都呈现出包括沿轴线δ i指向且朝向圆锥外部的主瓣的辐射图。 朝向圆锥外部的轴线是指轴线从凹侧出发并且去往圆锥的凸侧。
[0037] 位于飞行器前方的区域的雷达波束扫描是同时通过基座15绕单轴线(旋转轴线 0X)的旋转以及通过平面△中雷达波的发射/接收而被实现的。为此，每个辐射元件〇 1被 配置成一方面发射由电子扫描系统30、31、32、33(见图5)生成的雷达波，另一方面接收将 由该电子扫描系统处理的雷达波。
[0038] 所述电子扫描系统包括如图5中所示的转换器30、波束形成器31、发射/接收模 块32和控制模块33。
[0039] 例如是微控制器型计算机的控制模块33引导发射/接收模块32、波束形成器31 和转换器30以通过雷达波束对位于圆锥凸部分中（即飞行器前方）的区域实施电子扫描。
[0040] 借助于转换器30,通过N个相邻元件的组(其中N彡M)，Μ个辐射元件ei连接到波 束形成器31，波束形成器31本身与发射/接收模块32连接。
[0041] 在发射中，发射/接收模块32例如能够以与雷达波长相对应的频率将波列发送到 转换器30。在接收中，发射/接收模块32例如能够处理从转换器30接收的波列。
[0042] 在例如关于图1描述的现有技术中的气象雷达中，机械地执行雷达波的发射/接 收方向的定向调节。事实上，板由电子装置所控制的机构3来自动定位、以使得无论飞行器 的倾斜度如何，天线2的主发射瓣都能指向地平线之上。目标在于减小地面回波的大小并 且给出飞行器的气象环境的恒定图像。
[0043] 在根据本发明的气象雷达中，由于天线只沿轴线0X旋转，因此电子地执行雷达波 的发射/接收方向的定向调节以使得无论飞行器的倾斜度如何，天线的主发射瓣都指向地 平线之上。为此，控制模块33选择辐射元件 ei，该辐射元件ei应当根据与旋转轴线0X成 Θ角度的轴线的方向来发射或接收雷达波，并且雷达波应当朝向该方向而被发射或接收。
[0044] 因此，当雷达波束应当在与旋转轴线0X成Θ角度的轴线的方向上被发射时，具有 Μ个输入和N个输出的转换器30只发送信号到与该方向相对应的N个相邻辐射元件ei。所 发送的信号是由发射/接收模块32生成的。
[0045] 由控制模块33执行对于与该方向相对应的N个辐射元件的选择。为此，控制模块 33例如选择轴线0X和辐射元件植入点之间的角度0 1接近角度Θ的N个相邻辐射元件ei。
[0046] 因此，例如借助于N=4个相邻辐射元件，例如ei、e2、e 3、e4，来执行波束形成，对于 这些相邻辐射元件，具有介于91和θ 4之间的角度Θ (其中是轴线〇X和自由面18上 的辐射元件ei的植入点之间的角度，…，θ4是轴线〇X和自由面18上的辐射元件e 4的植 入点之间的角度）的主瓣角度覆盖。
[0047] 作为变型，利用预定的最小选择阈值，通过比较在与旋转轴线0X成角度Θ的轴线 的方向上的每个辐射元件 ei的主瓣强度来作出选择。
[0048] 对于由转换器30选择的且由波束形成器31使用以在与旋转轴线0X成角度Θ的 轴线的方向上进行发射和接收的N个辐射元件 ei而言，波束形成器31将相移Φ ( Θ )施加 至IJN个要发射的信号/N个接收的信号。如有需要，波束形成器还将权重W ( Θ )施加到这 N个信号以对波束进行变迹。有利地，通过将信号乘以复数系数，以数字模式来实现波束的 形成。
[0049] 本发明的优点是，在运转中，本发明的气象雷达包含只沿轴线0X旋转移动部分， 并且不再机械地执行、而是电子地执行发射/接收方向的选择。
[0050] 因此，无论气象雷达是否处于运转中，气象雷达11的体积和长度L都是固定的，并 且尤其是根据圆锥的离心率和参数而被确定的。
[0051] 如仿真所示，当圆锥的焦点是垂直于轴线0X的壁5的平面中的点时，本发明的气 象雷达的长度L在适配的值p和e的情况下是最小的。
[0052] 利用这样的气象雷达11，能够减小或适配飞行器的雷达天线罩10的尺寸以优化 飞行器的空气动力学轮廓。
[0053] 本发明的另一优点是，将电子扫描系统集成在基座15中使之能够简化飞行器中 气象雷达的装配。因此，与现有技术的气象雷达相反，天线和电子扫描系统之间不再有任何 旋转有线连接。
[0054] 除飞行器前方气象条件的检测之外，气象雷达11用于获得高度信息。事实上，在 天线绕轴线0X旋转的过程中，控制模块33确定哪个辐射元件的轴线垂直地指向地面并且 从信号的往返时间中推断飞行器的高度。
[0055] 根据本发明的实施例，辐射元件ei以可变间距沿叶片分布。该间距是从辐射元件 ei的有线部分20到旋转轴线0X的距离的增函数。换句话说，位于旋转轴线0X附近的辐射 元件ei彼此更接近，而那些位于离旋转轴线0X较远的辐射元件 ei彼此更远。换句话说，辐 射元件ei的曲线密度在越接近旋转轴线0X时越大。
[0056] 该实施例使之能够获得在飞行器纵轴周围的角度中心范围中的非常好的角分辨 率。
[0057] 作为变型，根据小于或等于气象雷达11所使用的半波长的恒定间距（曲线距离 中），辐射元件6 1均匀地布置在自由面18上。
[0058] 根据该变型的辐射元件ei的布置使之能够降低接收和发射中的噪声，并且增加角 度范围Θ，对于该角度范围而言，N个所选相邻元件的主瓣的角度覆盖是最大的。
[0059] 根据本发明的实施例，辐射元件ei可以被布置在具有相同形状的几个叶片16的 自由面上，每个叶片都包含于不同的平面中。包含不同叶片的平面具有用于公共交叉的旋 转轴线ox。
[0060] 该实施例的优点是改进了通过气象雷达11而获得的雷达图像的刷新率。
[0061] 根据图6所示的本发明实施例的变型，每个辐射元件代替有线元件20而包括在抛 物面反射器21对面的第二反射器27。
[0062] 每个第二反射器27是在垂直于平面（Λ )的平面中的凸双曲线，其焦点与相关联 的抛物面反射器21的焦点重合。每个第二反射器27的焦点还位于相关联的抛物面反射器 21的焦轴δ i上。每个第二反射器27的顶点是焦线中的点。
[0063] 借助于垫片22,每个第二反射器27由相关联的抛物面反射器21支撑。
[0064] 波导23位于每个抛物面反射器21的后面，并且通向该抛物面反射器21的底部、 也就是说基本上在其抛物截面的顶点处。波导23被设于叶片16中所安排的通道中以便连 接到气象雷达11的电子扫描系统。
[0065] 当第一公共部分被用于形成辐射元件ei的抛物面反射器21并且第二公共部分被 用于形成辐射元件ei的第二反射器27时，该实施例使之能够简化叶片16的构造。借助于 介电垫片，该第二公共部分由第一公共部分支撑。在这种情况下，用于每个辐射元件ei的 波导23在每个抛物面反射器21后面的安装使得所述辐射元件离散。
[〇〇66] 尽管被显示为在飞行器的前部，然而根据配置或需要，本发明的气象雷达也可以 位于飞行器下面，在飞行器的一个机翼之下或在固定到飞行器机翼的吊舱中。
【权利要求】
1. 一种用于被装载在飞行器上的气象雷达（11)，包括天线和机械支撑件（14)以及电 子扫描系统（30, 31，32, 33)，所述天线包括基座（15)，该基座（15)围绕称为旋转轴线的轴 线OX相对于所述机械支撑件（14)而被旋转地安装，其中，至少一个叶片（16)被固定到所述 基座（15)上并且沿所述旋转轴线而放射状地延伸，Μ个辐射元件（ ei)沿不与所述基座（15) 相邻的称为自由面（18)的叶片面而分布，所述自由面（18)基本上具有焦轴圆锥的一部分 的形状，该焦轴在包含所述旋转轴线的平面（△)中与该旋转轴线合并，每个辐射元件都能 够沿包含于所述平面（Λ )中的轴线（δ J而辐射并且被连接到所述电子扫描系统。
2. 如权利要求1所述的气象雷达（11 )，其中，在使用中，所述电子扫描系统被配置成将 雷达波只传送到N个相邻的辐射元件（ei)，其中N〈M。
3. 如上述权利要求中任一项所述的气象雷达，其中，每个辐射元件（ei)都包括抛物面 反射器（21)，该抛物面反射器（21)具有在垂直于平面（Λ )的平面中的抛物截面并且被固 定到所述叶片（16)的所述自由面（18)。
4. 如权利要求3所述的气象雷达，其中，每个辐射元件（ei)都包括位于所述抛物面反 射器的焦点处且在该抛物面反射器的焦轴（S i)上排齐的有线部分（20)。
5. 如权利要求3所述的气象雷达，其中，每个辐射元件（ei)还包括具有在垂直于所述 平面（Λ )的平面中的双曲线截面的第二反射器（27)，该第二反射器（27)的焦点与所述辐 射元件（ei)的所述抛物面反射器（21)的焦点重合。
6. 如上述权利要求中任一项所述的气象雷达，其中，所述天线包括至少两个叶片 (16)，每个叶片分别具有多个辐射元件，并且所述至少两个叶片具有用于公共交叉的旋转 轴线OX。
7. 如上述权利要求中任一项所述的气象雷达，其中，所述电子扫描系统（30, 31，32， 33)被安装在所述基座（15)中。
8. -种包括机身（8)和固定到该机身的雷达天线罩（10)的飞行器，所述雷达天线罩限 定了腔（6)，所述机身包括关闭所述腔的壁（5)，所述飞行器还包括被安排在所述腔中的如 上述权利要求之一的气象雷达（11)，所述气象雷达（11)的机械支撑件（14)被固定到所述 壁（5)上，并且所述气象雷达的旋转轴线OX基本上与所述飞行器的纵轴对齐。
【文档编号】G01S13/95GK104111459SQ201410152808
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年4月16日 优先权日:2013年4月16日
【发明者】帕特里克·利芬 申请人:空中客车营运有限公司