CN101501523B - 雷达 - Google Patents

雷达 Download PDF

Info

Publication number
CN101501523B
CN101501523B CN2007800289132A CN200780028913A CN101501523B CN 101501523 B CN101501523 B CN 101501523B CN 2007800289132 A CN2007800289132 A CN 2007800289132A CN 200780028913 A CN200780028913 A CN 200780028913A CN 101501523 B CN101501523 B CN 101501523B
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
send
lens
radar
pulse compression
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN2007800289132A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101501523A (zh
Inventor
今井克之
牛尾知雄
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Publication of CN101501523A publication Critical patent/CN101501523A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101501523B publication Critical patent/CN101501523B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G01S13/10—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves
    • G01S13/26—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves wherein the transmitted pulses use a frequency- or phase-modulated carrier wave
    • G01S13/28—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves wherein the transmitted pulses use a frequency- or phase-modulated carrier wave with time compression of received pulses
    • G01S13/282—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves wherein the transmitted pulses use a frequency- or phase-modulated carrier wave with time compression of received pulses using a frequency modulated carrier wave
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G01S13/426—Scanning radar, e.g. 3D radar
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/95—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • G01S13/951—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for meteorological use ground based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H01Q19/062—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens for focusing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/02—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical movement of antenna or antenna system as a whole
    • H01Q3/04—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical movement of antenna or antenna system as a whole for varying one co-ordinate of the orientation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/12—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical relative movement between primary active elements and secondary devices of antennas or antenna systems
    • H01Q3/14—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical relative movement between primary active elements and secondary devices of antennas or antenna systems for varying the relative position of primary active element and a refracting or diffracting device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/2664—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture electrically moving the phase centre of a radiating element in the focal plane of a focussing device
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Abstract

一种雷达具有高时间分辨率和高空间分辨率，并且能够利用便宜和简单的结构执行体积扫描，同时使得能够减少大小和重量。雷达(50)配备有：天线单元(51)，包括无线电波透镜天线装置，所述无线电波透镜天线装置具有球形发射无线电波透镜(2)、球形接收无线电波透镜(3)、布置在无线电波透镜(2)的焦点的一次辐射器(4)以及布置在无线电波透镜(3)的焦点的一次辐射器(5)。一次辐射器(4，5)在围绕连接无线电波透镜(2，3)的中心点的轴线的仰角方向上枢转，并且在围绕与连接无线电波透镜(2，3)的中心点的轴线正交的轴线的方位角方向上枢转。

Description

雷达
技术领域
本发明涉及一种用于通过无线电波透镜天线发射和接收高频无线电波的雷达。
背景技术
在现有技术中，各种类型的雷达用于气象观测、空中交通控制等目的。这样的雷达通过从天线向目标发射诸如微波的高频无线电波并且接收来自该目标的反射波或者散射波来探测该目标的大小、形状、距离、速度等。例如，用于观测气象条件的气象雷达向诸如雨的水滴发射无线电波并且分析接收到的反射波，以确定例如降水的区域大小或者降水量。
这样的雷达通常实施收发合置技术和收发分置技术，在收发合置技术中，利用一个天线发射和接收信号并且天线与发射器和接收器之间的连接被切换，在收发分置技术中，连接到发射器的发射天线和连接到接收器的接收天线被使用。
对于收发合置技术来说，例如，已经公开了一种气象观测雷达，该雷达包括：发射器，用于产生并输出脉冲形状的高频信号；天线，用于向大气发射由发射器产生的高频信号作为高频无线电波并且接收由目标反射或散射的高频无线电波；接收器，用于通过天线接收由物体反射的高频无线电波；以及用作切换装置的循环器，用于在从发射器到天线的高频信号传输和从天线到接收器的高频信号传输之间切换(例如，参照专利文献1)。
近年来，由于增加的计算机计算处理速度和各种算法的发展，关于气象预测仿真(数值预报模型)的技术在精度和计算速度方面已经经历了迅猛的提高。如今，用于气象预测仿真的初始值数据需要更高的密度、更高的时间分辨率和更高的空间分辨率。这里时间分辨率指的是收集一条观测数据所必需的时间。时间分辨率随着该时间变短而提高。这样的情况被称为满意的时间分辨率。空间分辨率指的是包括雷达可观测到的目标(反射体或者散射体)的区域的大小。空间分辨率随着该区域变小而提高。这样的情况被称为满意的空间分辨率。
然而，在专利文献1中描述的雷达中，在地表面上方的整个大气经受波束扫描(以下被称作“体积扫描(volume scanning)”)。因此，当观测云和雨滴时，距离分辨率(在距离方向上的分辨率，所述距离方向即，雷达发射无线电波的方向或无线电波传播的方向，当利用极坐标(γ，θ，
Figure G51011371150138000D000021
)定义空间坐标系统时为径向方向γ)为几十米并且相对较长。此外，时间分辨率也为几分钟并且相对较长。因此，从气象预测仿真的更高精度的立场来看，该分辨率是不够的。
换句话说，对于诸如雷雨云这样的快速增长的目标，几分钟的时间分辨率太长，以致于不能分析雷雨云的产生机理。另外，当距离分辨率为几十米时，不能观测到诸如粒子密度的分布这样的精细分散。
这是由于下面的事实而引起的，即，在专利文献1中描述的雷达所使用的天线通常具有几米的直径。此外，当利用具有这样的大直径的天线执行体积扫描时，驱动天线的机构的尺度大，并且因此天线装置的结构复杂。此外，整个天线装置的大小和重量增加。这提高了成本。
另外，将难以安装包括这样大并昂贵的天线装置的很多雷达。因此，为了解决这样的问题，发射功率可以被增加到几十瓦特和几千瓦特之间，以增加观测区域(可观测距离)并且因此扩大观测区域。然而，这将会进一步地提高成本。
[专利文献1]日本特开专利No.11-14749。
发明内容
本发明提供一种包括无线电波透镜天线装置的雷达，其中，雷达装置具有高时间分辨率和高空间分辨率，具有便宜和简单的结构，能够执行体积扫描，并且可以减小大小和重量。
本发明的一个方面是一种雷达。该雷达配备有包括至少一个数模(D/A)转换器和至少一个模数(A/D)转换器的信号处理单元，所述D/A转换器将数字波形数据转换成模拟波形数据并且产生脉冲压缩调制信号，所述A/D转换器将所接收的模拟信号转换成数字信号并且执行脉冲压缩解调。发射器单元包括：至少一个振荡器，该振荡器上变频由所述信号处理单元产生的所述脉冲压缩调制信号；以及第一放大器，该放大器放大已上变频的脉冲压缩调制信号并且产生RF信号。天线单元将由所述发射器单元产生的所述RF信号作为RF波向大气辐射，并且接收在大气中反射或散射的并且作为RF信号返回的RF波。接收器单元包括第二放大器，该第二放大器放大由所述接收器单元接收的所述RF信号。所述接收器利用所述至少一个振荡器下变频由所述第二放大器放大的所述RF信号以产生IF信号，并且将所述IF信号作为模拟信号提供给所述信号处理单元。所述天线单元包括第一和第二发射-接收无线电波透镜，其中所述第一和第二发射-接收无线电波透镜每个都包括焦点并且每个都由电介质形成为球形，从而具有在径向方向上以预定速度变化的相对介电常数。第一和第二发射-接收一次辐射器被分别布置在所述第一和第二发射-接收无线电波透镜的所述焦点。所述第一和第二发射-接收一次辐射器被配置为在围绕连接所述第一和第二发射-接收无线电波透镜的每个的中心点的第一轴线的仰角(elevationdirection)方向上枢转，并且在围绕与所述第一轴线正交的第二轴线的方位角方向上枢转。
在这个结构中，发射-接收一次辐射器在仰角方向和方位角方向上枢转，以执行体积扫描。因此，当执行体积扫描时，大幅度地提高了时间分辨率和空间分辨率。结果，雷达可以以高空间分辨率和高时间分辨率执行体积扫描。此外，用于执行体积扫描的复杂驱动机构是不必要的。这简化了天线单元，并且使得能够利用简单结构执行体积扫描。此外，避免了天线单元的成本的增加，并且可以减小天线单元的大小和重量。经由发射-接收无线电波透镜，在沿着连接发射-接收无线电波透镜和发射-接收辐射器的每个中心的延伸线的方向上，RF波从发射-接收一次辐射器向大气辐射。此外，被大气反射并返回的非常微弱的RF波的入射方向经由发射-接收无线电波透镜进入发射-接收辐射器。
在该雷达中，天线单元还包括：保持构件，在所述仰角方向上可枢转地保持所述第一和第二发射-接收一次辐射器；支撑构件，可枢转地支撑所述保持构件；以及旋转构件，固定所述支撑构件并且在围绕所述第二轴线的所述方位角方向上是可旋转的。此外，所述第一和第二发射-接收一次辐射器可以协同所述保持构件的枢转在所述仰角方向上枢转，并且可以协同所述旋转构件的旋转在所述方位角方向上枢转。
在这个结构中，保持所述发射-接收一次辐射器的保持构件可以在仰角方向上枢转，并且所述旋转构件可以在方位角方向上旋转。这使得能够利用简单结构执行体积扫描。
在该雷达中，所述发射器单元还可以包括另外的振荡器，该振荡器用于上变频所述脉冲压缩调制信号以及下变频所接收的RF信号。
在这个结构中，经过多个步骤，通过上变频所述脉冲压缩调制信号以及下变频所接收的RF信号，可以产生具有期望的中心频率的信号。因此，与只使用一个振荡器时相比，可以容易地执行上变频以及下变频，用于获得具有期望的中心频率的信号。
在该雷达中，所述信号处理单元可以产生所述脉冲压缩调制信号，所述脉冲压缩调制信号具有在5MHz到200MHz的范围内可设置的带宽，并且所述至少一个振荡器(60)将所述脉冲压缩调制信号上变频成具有1GHz到20GHz的中心频率的信号。
在这个结构中，当执行体积扫描时，例如，当产生具有60MHz的带宽的脉冲压缩调制信号时，可以获得例如2.5m的高距离分辨率。这使得雷达能够用于观测具有20m到30m尺度的飓风。
在该雷达中，所述信号处理单元通过利用频率线性调频脉冲(chirp)执行脉冲压缩调制而产生所述脉冲压缩调制信号，并且对每个发射脉冲交替地重复正斜率线性调频(up-chirping)和负斜率线性调频(down-chirping)。
在这个结构中，通过利用频率线性调频脉冲执行脉冲压缩调制，提高了在距离方向上的距离分辨率。此外，通过对每个发射脉冲交替地重复正斜率线性调频和负斜率线性调频，抑制了由于重叠导致的观测误差。这里使用的术语“重叠”指的是下面这样的现象，即，其中，已经被辐射的无线电波在远距离被反射，并且在最近发射的无线电波的反射波返回的同时返回。
该雷达还包括至少一个第三发射-接收无线电波透镜，其在所述第一和第二发射/接收无线电波透镜的至少一个的焦点沿着所述仰角方向布置。
在这个结构中，在仰角方向上可以同时发射和接收多个信号。因此，可以同时测量多个部分，这提高了收集的数据的同时性并且缩短了仰角方向上的扫描时间。
本发明提供了一种具有高时间分辨率和高空间分辨率的雷达。此外，本发明提供了一种在使得能够减小大小和重量的同时还能够利用便宜和简单的结构执行体积扫描的雷达。
附图说明
图1是显示在根据本发明的第一实施例的雷达中的无线电波透镜天线装置的整个结构的示意图；
图2是显示在根据本发明的第一实施例的雷达中的无线电波透镜天线装置的一次辐射器的枢转的图，并且是从发射无线电波透镜侧看的图1的无线电波透镜天线装置的图；
图3是显示在根据本发明的第一实施例的雷达中用于支撑无线电波透镜天线的无线电波透镜的支撑构件的示意图；
图4是显示在第一实施例中的雷达的整个结构的示意图；
图5是显示在根据本发明的第二实施例的雷达中的无线电波透镜天线装置的整个结构的示意图；
图6是显示在图5所示的无线电波透镜天线装置中的一次辐射器的枢转机构的示意图；
图7是图6的俯视图；
图8是当从布置在接收无线电波透镜的焦点处的一次辐射器侧看时的图6的侧视图；
图9是显示其中在仰角方向上一次辐射器枢转到扫描天顶方向(zenithal direction)的状态；
图10是显示根据本实施例的雷达的变体的整个结构的示意图；
图11是显示根据本发明的实施例的无线电波透镜天线装置的变体的示意图，并且是显示其中多个一次辐射器被布置在仰角方向上的状态的图；
图12是显示在根据本发明的第一实施例的雷达中的无线电波透镜天线装置的变体的示意图，并且是显示其中使用多个臂的状态的图；
图13是显示在根据本发明的第一实施例的雷达中的无线电波透镜天线装置的变体的示意图，并且是显示其中整个无线电波透镜天线装置被天线屏蔽器覆盖的状态的图；
图14是显示其中旋转接头被布置在根据本发明的实施例的雷达的无线电波透镜天线装置中的状态的图；以及
图15是显示在根据本发明的实施例的雷达中的无线电波透镜天线装置的变体的示意图。
具体实施方式
[第一实施例]
下面将会讨论本发明的优选实施例。图1是显示根据本发明的第一实施例的雷达的无线电波透镜天线装置的整个结构的示意图。图2是显示在图1所示的无线电波透镜天线装置的一次辐射器的枢转操作的图，并且是从发射无线电波透镜侧看的图1的无线电波透镜天线装置的图。如图1所示，作为收发分置天线装置的无线电波透镜天线装置1包括两个发射和接收无线电波透镜2和3以及分别布置在发射和接收无线电波透镜2和3的焦点处的两个发射和接收一次辐射器4和5。更具体地，无线电波透镜天线装置1包括发射无线电波透镜2、接收无线电波透镜3、布置在发射无线电波透镜2的焦点处的一次辐射器4以及布置在接收无线电波透镜3的焦点处的一次辐射器5。
作为球形椤勃(Luneberg)透镜的无线电波透镜2和3每个都包括中心球形壳和包围该中心球形壳并且具有不同直径的多个球形壳。无线电波透镜2和3的每个都由电介质形成，以便相对介电常数在径向方向上以预定的速度变化。无线电波透镜2和3的球形壳的相对介电常数εγ根据等式εγ＝2-(r/R)2被近似地设置。例如，从中心部分到外侧，无线电波透镜2和3的每个的相对介电常数从大约2变化到大约1。在上面的等式中，R代表球半径，并且r代表与球中心的距离。在第一实施例中，无线电波透镜2和3具有例如600mm或450mm的直径。电介质为顺电性、铁电体性或反铁电并不导电的。
用于椤勃透镜的典型电介质为由聚烯烃的合成树脂形成的发泡体(foam)，诸如聚乙烯树脂、聚丙烯树脂和聚苯乙烯树脂。诸如氧化钛、钛酸盐和锆酸盐的无机高电介质填充剂被添加到合成树脂中以形成发泡体。通过改变发泡放大倍率以及控制比重，这样的电介质发泡体的相对介电常数被调整为目标值。利用更高的比重获得更高的相对介电常数。
为了制造电介质发泡体，例如，可以执行化学发泡过程，其中，当加热时分解以产生诸如氮气这样的气体的发泡剂被添加到原料(单独的合成树脂或者合成树脂和无机高电介质填充剂的混合物)内，并且然后被填充成具有期望的形状的模具内，从而经历发泡。还可以执行珠发泡(beads-foaming)过程，其中，在模具外提前预发泡饱含挥发性发泡剂的颗粒形状材料以获得预发泡的珠。预发泡的珠被填充到具有期望形状的模具内，并且然后通过水蒸汽等加热，以经历再发泡。同时，相邻的珠被相互融合。
如图1所示，无线电波透镜2和3分别由支撑构件6和7支撑。支撑构件6和7的每个被附设在桌子8上，该桌子8是可绕着方位角方向(即，在附图中由箭头X指示并且围绕轴线B延伸的方向，该轴线B正交于连接无线电波透镜2和3的中心点的轴线A)旋转的旋转构件。桌子8需要下面这样的强度，即，该强度能够承受布置在桌子8上的无线电波透镜2和3以及支撑构件6和7的重量，并且还能够承受高速旋转。因此，优选桌子8的重量很轻。优选将纤维增强塑料(FRP)材料用作形成桌子8的材料。用于纤维增强塑料材料的纤维增强材料的例子包括玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维或者石英纤维。变成纤维增强塑料材料的基质的塑料包括非饱和聚酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂或者双马来酰亚胺树脂。桌子8可以由金属板形成。为了减轻桌子8的重量，例如，金属板可以经历回火过程以形成肋(ribs)。
此外，为了进一步减轻重量，桌子8可以被配置为具有夹层结构。更具体地，通过利用纤维增强塑料覆盖聚酯等的外表面可以形成夹层结构。此外，可以使用蜂窝状物(铝、芳族聚酰胺等)代替发泡体。
用于图1所示的桌子8的驱动装置9是用于驱动桌子8的驱动源，并且包括电动机10和轴11，其中，电动机10能够产生正向和反向的旋转，轴11连接到电动机10并且通过电动机10正向和反向旋转。如图1所示，驱动装置9被容纳在基座30中，并且桌子8被安装在基座30上。当用作控制装置的计算机(未示出)驱动电动机10并且使轴11旋转时，电动机10的驱动力通过轴11传递到桌子8。这使得桌子8在上述围绕轴线B延伸的方位角方向X上旋转，该轴线B正交于连接无线电波透镜2和3的中心点的轴线A(下文被称作“无线电波透镜2和3的中心轴线A”)。利用这样的结构，雷达能够在任何方位角方向X上执行扫描。
一次辐射器4和5的每个通常是包括矩形或者圆形开口的电磁喇叭天线、具有附设在波导管上的电介质棒的电介质棒天线等。然而，还可以使用微带天线、缝隙天线等。由一次辐射器4和5发射和接收的无线电波的电场的方向性(极化波)可以是线极化波(例如，垂直极化波或者水平极化波)或者圆极化波(例如，右旋极化波或者左旋极化波)中的任何一个。
一次辐射器4和5的每个在沿着无线电波透镜2和3的表面的仰角方向(即，在附图中由箭头Y指示并且围绕无线电波透镜2和3的中心轴线A延伸的方向)上是可枢转的。更具体地，如图1所示，一次辐射器4和5的每个被保持在臂12上，该臂12用作保持构件并且通常是马蹄形的。臂12通过布置在支撑构件13内的销14以枢转的方式被支撑，其中支撑构件13被附设到桌子8。并不特别限定臂12的材料，只要它由轻材料形成。例如，臂12可以由大致马蹄形的金属片形成。可以使用由木材形成的臂12，只要它被下文将描述的天线屏蔽器19覆盖，以避免接触大气。臂12在围绕枢转轴线的仰角方向Y上是可枢转的，该枢转轴线是无线电波透镜2和3的中心轴线A。图1和图2所示的驱动装置15用作用于驱动臂12的驱动源，并且包括产生正向和反向旋转的电动机16。上述的销14被连接到电动机16，并且通过电动机16正向和反向旋转。当上述计算机驱动电动机16并且使销14旋转时，电动机16的驱动力通过销14传递到臂12。这使臂12枢转，进而，使由臂12保持的一次辐射器4和5协同臂12的枢转在围绕无线电波透镜2和3的中心轴线A的仰角方向Y上枢转。
在扫描期间，当水平方向被定义为0°时，臂12(或者一次辐射器4和5)被配置成在围绕无线电波透镜2和3的中心轴线A的仰角方向Y上的从-90°或者更大到90°或者更小的范围内可枢转。更具体地，例如，如图2所示，当水平方向(即，在附图中由Z指示的方向)被定义为0°时，一次辐射器4被配置成在仰角方向Y上可从其中该辐射器4扫描天顶方向(即，箭头C的方向或者垂直向上的方向，其中辐射器4a枢转到-90°的状态)的状态枢转到其中辐射器4扫描地表面方向(即，箭头D的方向或者垂直向下的方向，其中辐射器4b枢转到90°的状态)的状态。利用这样的结构，在仰角方向Y上，可以执行宽范围的扫描。
如上所述，一次辐射器4和5的每个被臂12保持，并且该臂12被附设到桌子8上的支撑构件13支撑。因此，协同桌子8在方位角方向X上的旋转，一次辐射器4和5的每个在围绕轴线B的方位角方向X上枢转，该轴线B与连接无线电波透镜2和3的中心点的轴线A正交。利用这样的结构，雷达可以在任何方位角方向X上执行体积扫描。
通过无线电波透镜2从一次辐射器4向大气辐射的RF波的辐射方向沿着连接无线电波透镜2和一次辐射器4的中心的线延伸。在大气中被反射或者散射之后返回的非常微弱的RF波的入射方向经过无线电波透镜3，沿着通过无线电波透镜3和一次辐射器5的中心延伸的线进入一次辐射器5。因此，如图3所示，在第一实施例中，用于收纳一次辐射器4和5的收纳部分17和18被分别形成在支撑无线电波透镜2和3的支撑构件6和7上，以避免一次辐射器4和支撑构件6之间的干扰以及一次辐射器5和支撑构件7之间的干扰。结果，当在天顶方向(即，在图3中所示的箭头C的方向)上经过无线电波透镜2从一次辐射器4辐射RF波时，避免了一次辐射器4和支撑构件6之间的干扰。此外，当在天顶方向C上经过无线电波透镜3利用一次辐射器5接收在大气中反射或者散射的RF波时，避免了一次辐射器5和支撑构件7之间的干扰。如图3所示，在第一实施例中的收纳部分17和18具有大致马蹄形的横截面。
如图1所示，无线电波透镜天线装置1包括天线屏蔽器19，该天线屏蔽器19保护诸如无线电波透镜2和3、一次辐射器4和5以及支撑构件6和7这样的组件不受风、雨和雪的影响。天线屏蔽器19被桌子8支撑，并且诸如无线电波透镜2和3、一次辐射器4和5以及支撑构件6和7这样的组件被容纳在天线屏蔽器19中。
因为天线屏蔽器19需要优良的无线电波透射率，所以在第一实施例中，优选纤维增强塑料(FRP)材料被用作形成天线屏蔽器19的材料。
现在将描述一种采用无线电波透镜天线装置1的雷达。图4是显示在第一实施例中的雷达的整个结构的示意图。在第一实施例中，气象雷达被用作雷达的例子。图4仅示出了在无线电波透镜天线装置1中的无线电波透镜2和3以及一次辐射器4和5，并且没有示出其它构件。
如图4所示，雷达50包括：由无线电波透镜天线装置1形成的天线单元51；信号处理单元52，用于产生发射的脉冲压缩调制信号并且对所接收的模拟信号执行脉冲压缩解调；以及发射器单元53，连接到信号处理单元52和一次辐射器4，以放大由信号处理单元52产生的脉冲压缩信号并且产生RF信号。雷达50还包括接收器单元54，该接收器单元54被连接到信号处理单元52和一次辐射器5，以放大已经被反射或散射回来的非常微弱的RF回波的信号(即，RF信号)。
信号处理单元52包括用作控制装置的CPU 55、用于存储数字波形数据的RAM 56、D/A转换器57以及A/D转换器58。发射器单元53包括：混频器59，该混频器59例如由二极管形成，以接收由信号处理单元52产生的脉冲压缩调制信号；振荡器60，用于上变频脉冲压缩调制信号；以及放大器61，用于放大已上变频的脉冲压缩调制信号。接收器单元54包括：放大器62，放大由天线单元51接收的RF信号；以及混频器63，该混频器63由二极管形成并且接收由放大器62放大的RF信号。
当执行波束扫描时，信号处理单元52首先产生具有在5MHz到200MHz的范围内设置的带宽的脉冲压缩调制信号。例如，产生具有60MHz的中心频率和80MHz的带宽的脉冲压缩调制信号，即，其频率在20MHz到100MHz的范围内变化的脉冲压缩调制信号。然后，该脉冲压缩调制信号被发送到发射器单元53。更具体地，CPU 55从RAM 56读取数字波形数据。然后，D/A转换器57将数字波形数据转换成模拟波形数据，并且产生脉冲压缩调制信号或者IF信号(中频信号)。脉冲压缩调制信号被提供给发射器单元53。使用根据诸如频率和时间的输入参数获得的数字波形数据，可以产生脉冲压缩调制信号。
典型的调制过程包括幅度调制、频率调制、相位调制、编码调制等。在第一实施例中，执行频率调制并且采用用于线性调频发射频率的过程。换句话说，信号处理单元52通过在脉冲压缩调制期间执行频率线性调频产生脉冲压缩调制信号，从而以重复的方式对每个发射脉冲交替地执行上线性调频(从低频改变到高频，在这种情况下，从20MHz改变到100MHz)和下线性调频(从高频改变到低频，在这种情况下，从100MHz改变到20MHz)，。
提供给发射器单元53并且输入到混频器59的脉冲压缩调制信号被振荡器60上变频成具有1GHz到20GHz的中心频率的信号。例如，如果振荡器60正在发射15GHz(15000MHz)的信号，则脉冲压缩调制信号从15020MHz上变频到15100MHz。放大器61放大已经上变频的脉冲压缩调制信号，以产生RF信号。然后由发射器单元53产生的RF信号被输出到天线单元51并且被输入到天线单元51的一次辐射器4。作为高频无线电波(RF波)90，RF信号经过发射无线电波透镜2从一次辐射器4辐射向大气。
接着，经过天线单元51的接收无线电波透镜3，利用一次辐射器5，天线单元51接收非常微弱的高频无线电波(RF波)91，该无线电波91在大气中被反射或散射并且作为RF信号被返回。作为模拟信号的RF信号被输入到接收器单元54。输入到接收器单元54的RF信号被放大器62放大，并且所放大的RF信号被输入到混频器63。在发射器单元53中的振荡器60将输入到混频器63的RF信号下变频成IF信号，该IF信号具有大约60MHz的中心频率以及80MHz的带宽。即，该IF信号具有在大约20MHz到100MHz的范围内变化的频率。经过下变频产生的IF信号作为接收的模拟信号被输出到信号处理单元52。提供给信号处理单元52的IF信号被输入到信号处理单元52的A/D转换器58。通过经历脉冲压缩解调，A/D转换器58将IF信号转换成数字信号，并且该数字信号被输出到CPU 55。CPU 55处理该数字信号以获得诸如降水的区域的大小或者降水量这样的各种气象信息。振荡器60并不必须布置在振荡器60中，并且可以布置在任何位置，只要当对信号执行上变频和下变频时它可以被共同使用。可以使用FPGA、DSP等代替CPU 55。
第一实施例的雷达50具有下述的优点。
(1)在第一实施例的雷达50中的无线电波透镜天线装置1包括臂12，该臂12保持发射一次辐射器4和接收一次辐射器5，并且如上所述在围绕发射无线电波透镜2和接收无线电波透镜3的中心轴线A的仰角方向Y上是可枢转的。无线电波透镜天线装置1包括用于可枢转地支撑臂12的支撑构件13。其上固定该支撑构件13的桌子8在围绕正交于轴线A的轴线B的方位角方向X上是可旋转的。一次辐射器4和5协同臂12的枢转在围绕中心轴线A的仰角方向Y上枢转。一次辐射器4和5还协同桌子8的旋转在围绕与中心轴线A正交的轴线B的方位角方向X上枢转。因此，通过沿着无线电波透镜2和3的表面以预定的速度在仰角方向Y和方位角方向X上的预定角度范围(即，在从-90°或者更大角度到0°或者更小角度)内枢转一次辐射器4和5的每个(或者臂12)，扫描(即，体积扫描)在地表面上方的整个大气。这明显提高了当执行体积扫描时的时间和空间分辨率。结果，雷达50能够以高时间分辨率和高空间分辨率执行体积扫描。
具体地，当执行持续一分钟的体积扫描时，在第一实施例中的雷达50每隔3°观测方位角方向X(360°)和仰角方向Y(90°)中的每个方向。即，雷达50实现了观测部分(segment)的3600个点的的方位角分辨率(当利用极坐标(γ，θ，)定义空间坐标系统时，在方位角方向
Figure G51011371150138000D000142
和仰角方向θ上的分辨率)。雷达50在距离方向上以2.5m的距离分辨率实现了大致32000个点的观测部分。因此，通过在一分钟内将大气分解成大致3600×32000个点的观测部分，可以执行体积扫描。按照这种方式，第一实施例的雷达50使得能够以高时间分辨率和高空间分辨率执行体积扫描。
(2)在第一实施例中，用于执行体积扫描的大尺度驱动机构是不必要的。因此，简化了无线电波透镜天线装置1的结构，并且利用简单的结构执行体积扫描。这避免了无线电波透镜天线装置1的成本增加，并且降低了无线电波透镜天线装置1的大小和重量。
(3)在第一实施例中，信号处理单元52产生脉冲压缩调制信号，该脉冲压缩调制信号具有在5MHz到200MHz的范围内设置的带宽，并且振荡器60将该脉冲压缩调制信号上变频成具有1GHz到20GHz的中心频率的信号，并且向大气输出该信号作为高频无线电波(RF波)90。在这样的结构中，当产生具有60MHz的带宽的脉冲压缩调制信号时，实现了2.5m的高距离分辨率。此外，除了雨滴、云以及湍流(风)之外，第一实施例的雷达50可以被用来观测飓风。根据飓风的量级，它可以具有20到30m的尺度。因此，通过产生具有5MHz的带宽的脉冲压缩调制信号(对应于30m的距离分辨率)，雷达50对于观测具有20m到30m的尺度的飓风将会很有用。
(4)在第一实施例中，如上所述，信号处理单元52通过对每个发射脉冲执行频率线性调频和交替地正斜率线性调频和负斜率线性调频而产生脉冲压缩调制信号。这样的结构提高了在距离方向上的距离分辨率。通过对每个发射脉冲交替地产生正斜率线性调频脉冲和负斜率线性调频脉冲，抑制了由于重叠而引起的观测误差。
[第二实施例]
现在将讨论本发明的第二实施例。图5是显示在根据本发明的第二实施例的雷达中的无线电波透镜天线装置的整个结构的示意图。图6是显示在图5所示的无线电波透镜天线装置中的一次辐射器的枢转机构的示意图。图7是图6的俯视图，以及图8是当从布置在接收无线电波透镜的焦点处的一次辐射器侧看时的图6的侧视图。相同的参考字符被指定给与第一实施例的对应组件相同的那些组件，并且将不会描述这些组件。使用无线电波透镜天线装置的雷达的整体结构也与上述第一实施例的结构相似，因此将不会详细描述。
第二实施例具有以下特征，其中，在方位角方向X和仰角方向Y上一次辐射器4和5的枢转机构不同于在第一实施例中的无线电波透镜天线装置1的枢转机构。如图5所示，第二实施例的无线电波透镜天线装置22包括用作用于保持一次辐射器4和5的保持构件的臂23和24。一次辐射器4和5被臂23和24保持，以在下面所述的状态下在仰角方向Y上可枢转，在所述状态中，一次辐射器4和5停留在它们各自的焦点。臂23和24不被具体地限制，只要它们以与上述臂12相同的方式由轻材料形成。例如，臂23和24可以由金属或者木材形成。
如图6所示，无线电波透镜天线装置22包括：电动机25，产生正向和反向的旋转；以及轴26，连接到电动机25并且通过电动机25正向和反向旋转。电动机25和轴26形成用于驱动桌子8的驱动装置。
如图6所示，无线电波透镜天线装置22包括：电动机27，产生正向和反向的旋转；以及轴28，连接到电动机27并且通过电动机27正向和反向旋转；以及轴29，连接到轴28并且通过电动机27正向和反向旋转。电动机27、轴28和29形成用于驱动臂23和24的驱动装置。
如图5和6所示，电动机25和27被容纳在限定于基座30内的电动机容纳部分35内。轴26和轴28部分地突出到基座30之外，并且向上超出桌子8。如图5和6所示，轴26被附设到桌子8上，并且当轴26正向和反向旋转时桌子8旋转。此外，如图5和6所示，保持一次辐射器4和5的臂23和24分别由固定在轴26上的支撑构件39可枢转地支撑。
在扫描期间，当用作控制装置的计算机(未示出)驱动电动机25并且旋转轴36时，通过连接到电动机25的轴36的驱动齿轮37以及布置在轴26上并且与驱动齿轮37啮合的轴齿轮38，电动机25的驱动力被传递到轴26。结果，电动机25的驱动力通过轴26传递到桌子8。这使桌子8在围绕轴线B的方位角方向X上旋转，该轴线B正交于无线电波透镜2和3的中心轴线A。
如上所述，一次辐射器4和5分别由臂23和24保持。臂23和24由附设到桌子8上的支撑构件39支撑。因此，一次辐射器4和5的每个协同桌子8在方位角方向X上的旋转在围绕轴线B的方位角方向X上枢转，该轴线B正交于无线电波透镜2和3的中心轴线A。因此，可以以与第一实施例相似的方式在任何方位角方向X上执行体积扫描。
以与第一实施例的臂12相同的方式，臂23和24在围绕无线电波透镜2和3的中心轴线A的仰角方向Y上是可枢转的。更具体地，当计算机(未示出)驱动电动机27并且旋转电动机27的轴40时，通过连接到电动机27的轴40的驱动齿轮41以及布置在轴28上并且与驱动齿轮41啮合的轴齿轮42，电动机27的驱动力被传递到轴28。如图6和7所示，环形齿轮43被布置在轴28上，并且驱动齿轮44与环形齿轮43啮合。环形齿轮43和驱动齿轮44形成伞齿轮机构。轴29被布置在驱动齿轮44上，从而与驱动齿轮44整体地正向和反向旋转。轴29包括轴齿轮46，每个轴齿轮46与形成在臂23或24的表面上的齿轮45啮合。因此，当传递到轴28的电动机27的驱动力通过环形齿轮43和驱动齿轮44被传递到轴29时，该驱动力通过轴齿轮46和齿轮45被进一步地传递到臂23和24。这使得臂23和24枢转，并且使得由臂23和24保持的一次辐射器4和5协同臂12的枢转在围绕无线电波透镜2和3的中心轴线A的仰角方向Y上枢转。
例如，当水平方向Z被定义为在仰角方向Y上的0°时，一次辐射器4被配置成可以从如图8所示的其中它扫描水平方向Z的状态枢转到如图9所示的其中它扫描天顶方向C的状态(即，枢转到-90°的状态)。在这种情况下，当轴齿轮46在仰角方向Y上顺时针(在图8示出的箭头E的方向)旋转时，臂23在围绕中心轴线A的仰角方向Y上顺时针(在图8示出的箭头F的方向)旋转。
以与第一实施例相似的方式，如图5所示，在第二实施例中，与图3所示的用于收纳一次辐射器4和5的收纳部17和18相似的收纳部分47和48被形成在支撑构件6和7内，该支撑构件6和7分别支撑无线电波透镜2和3。这避免了一次辐射器4和支撑构件6之间的干扰以及一次辐射器5和支撑构件7之间的干扰。
以与第一实施例相似的方式，在第二实施例中，当在仰角方向Y上定义水平方向为0°以及垂直向下方向为-90°时，一次辐射器4和5被布置成围绕中心轴线A在-90°或者更大角度到90°或者更小角度的范围内可枢转。这使得能够使用简单结构很容易地执行复杂的体积扫描。
由于上述结构，使用第二实施例的无线电波透镜天线装置22的雷达具有与在第一实施例中的雷达50的优点(1)到(4)相同的优点。
如上所述，当驱动电动机25时，桌子8在围绕轴线B的方位角方向X上旋转，该轴线B正交于无线电波透镜2和3的中心轴线A。在这种情况下，即使电动机27不被驱动并且电动机27的驱动力不被传递到轴28，由电动机25产生的转矩仍可以旋转带有轴29的驱动齿轮44。结果，轴29和轴齿轮46通过驱动齿轮44被旋转，并且臂23和24以及由臂23和24保持的一次辐射器4和5在仰角方向Y上枢转。在这样的情况下，电动机27被驱动，以便轴28在与由电动机25的驱动力旋转的轴26的旋转方向相反的方向上旋转。这控制了由臂23和24保持的一次辐射器4和5在仰角方向Y上的枢转。
更具体地，例如，在图8所示的状态下，当轴26被电动机25驱动并且如图7中的箭头G所示顺时针旋转时，由电动机25产生的转矩使驱动齿轮44如图8中的箭头E所示顺时针旋转。然后臂23在围绕中心轴线A的仰角方向Y上如图8中的箭头F所示顺时针枢转。在这种情况下，电动机27被驱动，以便轴28在与轴26的旋转方向相反的方向(如图7中的箭头H所示的逆时针)上旋转，以便驱动齿轮44在与图8中的箭头E所示的方向相反的方向(在图8中所示的逆时针)上旋转。因此，在驱动齿轮44中，由电动机25产生的转矩的旋转方向与由电动机27产生的驱动力的旋转方向相反。这减少了作用在驱动齿轮44上的电动机25的转矩，并且控制了由臂23和24保持的一次辐射器4和5在仰角方向Y上的枢转(或者枢转速度)。
本发明不被限制于上述实施例，并且在不背离本发明的范围的情况下，本发明可以经历各种设计改变。
例如，在上述实施例中，单个振荡器60将脉冲压缩调制信号上变频到具有1GHz到20GHz的中心频率的信号，并且下变频所接收的RF信号。然而，根据本发明的雷达可以包括多个振荡器。如图10所示，在雷达50中，发射器单元53可以包括另外一个振荡器64，用于上变频脉冲压缩调制信号以及下变频所接收的RF信号。在这种情况下，被振荡器60上变频的脉冲压缩调制信号被输入到在发射器单元53中另外一个混频器65。然后输入到混频器65的脉冲压缩调制信号被另外一个振荡器64再一次上变频，以产生具有1GHz到20GHz的中心频率的信号。例如，在上述描述中，图4所示的雷达50从振荡器60传送15GHz的信号。然而，图10所示的雷达50可以从振荡器60传送2GHz的信号并且从另外一个振荡器64传送13GHz的信号，从而组合传送15GHz的信号。在这种情况下，放大器61放大已经上变频的脉冲压缩调制信号，产生RF信号，并且将RF信号传送到天线单元51的一次辐射器4。一次辐射器4经过发射无线电波透镜2向大气辐射RF信号作为高频无线电波(RF波)90。输入到接收器单元54的RF信号被放大器62放大，并且所放大的RF信号被输入到布置在接收器单元54中的另外一个混频器66。然后振荡器64将输入到混频器66的高频信号下变频以产生IF信号。然后振荡器60将输入到混频器63的IF信号再一次下变频，并且将经过下变频的IF信号传送到信号处理单元52作为模拟信号。提供到信号处理单元52的IF信号被输入到信号处理单元52的A/D转换器58。A/D转换器58执行脉冲压缩解调以将模拟信号(IF信号)转换成数字信号，并且将该数字信号输出到CPU 55。在这样的结构中，以多个步骤将脉冲压缩调制信号上变频成具有期望的中心频率的信号，并且，以多个步骤将所接收的RF信号下变频。因此，与当仅使用一个振荡器时相比，可以更加容易地将信号上变频和下变频到期望的中心频率。通过使用包括另外一个振荡器64的无线电波透镜天线装置22，该雷达同样获得雷达50的优点。
在上述实施例中，无线电波透镜天线装置1采用用于利用臂12保持单个发射一次辐射器4和单个接收一次辐射器5的结构。然而，臂12可以在仰角方向Y上延伸和弯曲，并且多个一次辐射器4和5可以沿着仰角方向Y被保持在臂12的延伸部分上。例如，如图11所示，三个接收一次辐射器5可以被保持在仰角方向Y上弯曲的臂12的延伸部分20上。在这样的结构中，在仰角方向Y上，多个信号可以同时被发射和接收。因此，可以同时测量多个部分，并且可以提高所收集的数据的同时性。此外，可以减少在仰角方向Y上的扫描时间。当利用多个接收一次辐射器5同时接收多个信号时，多个(例如，15个)一次辐射器5可以在仰角方向Y上以5°的间隔布置。在无线电波透镜天线装置22中，当多个一次辐射器4和5沿着仰角方向Y被臂23和24保持时，可以获得相同的优点。在这种情况下，也可以使用图10所示的振荡器64。
臂12、23和24可以由波导管形成。波导管通常具有比同轴电缆小的高频传输损耗，并且具有优良的机械强度。在每个实施例中，一次辐射器4和5被分别连接到发射器单元53和接收器单元54。因此，通过使用臂12、23和24的波导管并且将波导管连接到一次辐射器4和5，臂12、23和24可以被用作低损耗传输路径。这节省了空间，因为连接到一次辐射器4和5的同轴电缆是不必要的。
如图12所示，多个臂12(在图2中为2个)可以被用来保持一次辐射器4和5，并且被配置成在围绕连接无线电波2和3的中心的轴线A的仰角方向Y上可枢转。在这种情况下，如图12所示，用作用于保持一次辐射器4和5的保持构件的臂21被附设到支撑构件31的销32上，从而被支撑构件31可枢转地支撑，该支撑构件31被附设到桌子8上。图12所示的驱动装置34是用于驱动臂21的驱动源，并且包括：电动机33，产生正向和反向的旋转；和销32，连接到电动机33并且通过电动机33正向和反向旋转。计算机驱动电动机33并且旋转销32。这将电动机33的驱动力经过销32传送到臂21。结果，臂21枢转，并且由臂21保持的一次辐射器4和5协同臂21的枢转围绕无线电波2和3的中心轴线A在仰角方向Y上枢转。
驱动装置34可以布置在支撑构件13而不是支撑构件31内。臂21(或者由臂21保持的一次辐射器4和5)以与臂12(或者由臂12保持的一次辐射器4和5)相同的方式形成。即，臂21被配置成当执行扫描时在围绕无线电波透镜2和3的中心轴线A的仰角方向Y上，在-90°或者更大角度到90°或者更小角度的范围内可枢转。此外，通过用作切换装置的开关(未示出)，发射器单元53连接到臂12的一次辐射器4和臂21的一次辐射器4，以便所述一次辐射器4中的任一个可以通过来自计算机的切换信号被选择。按照相同的方式，通过用作切换装置的开关(未示出)，接收器单元54连接到臂12的一次辐射器5和臂21的一次辐射器5，以便所述一次辐射器5中的任一个可以通过来自计算机的切换信号被选择。因为这样的开关是电子开关，所以切换所需的时间是足够的短以致于它可以被忽略。开关可以被布置在一次辐射器4和5与发射器单元53之间或者在一次辐射器4和5与接收器单元54之间。
例如，在其中臂12被布置在第一基准位置(0度的仰角)、臂21被布置在第二基准位置(45度的仰角)、并且桌子8被布置在方位角基准位置(0度的方位角)的状态下开始体积扫描。更具体地，桌子8首先在其中通过开关选择附设到臂12的一次辐射器4和5的状态下在方位角方向X上旋转，并且在方位角方向X上每一度(0度的仰角固定)执行扫描。在方位角方向上执行359度的枢转。在达到360度以前(即，方位角基准位置)，通过开关选择附设到臂21的一次辐射器4和5。然后从方位角基准位置开始每一度执行扫描，直到达到360度，仰角固定在45度上。然后，在其中通过臂21执行扫描的时间段，臂12在仰角方向Y上枢转一度以布置在第三基准位置(一度的仰角)。桌子8旋转359度。在旋转到360度之前(即，方位角基准位置)，通过开关再次选择臂12的一次辐射器4和5。然后，从方位角基准位置对每一度执行扫描直到360度，仰角固定在一度。在通过臂12执行扫描的同时，臂21在仰角方向上枢转一度以布置在第四基准位置(46度的仰角)。之后，在以相同的方式执行切换的同时，通过枢转两个臂12、21而执行扫描。利用这样的结构，不需要停止桌子8在方位角方向的旋转，并且因此不涉及加速或减速。因此，相比于当只配备有臂12时，扫描时间减少了。结果，可以高速执行波束扫描。
在上述实施例中，天线屏蔽器19由桌子8支撑。然而，如图13所示，桌子8、驱动装置9以及基座30可以被容纳在天线屏蔽器19内，以便整个无线电波透镜天线装置1被天线屏蔽器19覆盖。这样的结构减轻了在桌子8上的重量，并且因此减少了当旋转桌子8时施加到驱动装置9的负载。此外，这改善了无线电波透镜天线装置1的外形。按照相同的方式，利用图11所示的无线电波透镜天线装置22，桌子8、电动机容纳部分35以及基座30可以被容纳在天线屏蔽器19中，并且整个无线电波透镜天线装置22可以被天线屏蔽器19覆盖。这获得了相同的优点。
如图14所示，包括连接器70的旋转接头71可以布置在桌子8的中心部分，从而从桌子8的上部延伸到下部，其中连接器70连接到用于传送高频信号的同轴电缆或波导管。这有效地避免了同轴电缆或波导管的缠绕和扭曲。旋转接头71可以与包括连接器72的滑动环73结合，以便例如，即使驱动电源被布置在桌子8下，电力也能够有效地提供给布置在桌子8上方的在臂12的驱动装置15中的电动机16。
在上述实施例中，发射无线电波透镜2和发射一次辐射器4可以用于信号的接收(或者接收无线电波透镜3和接收一次辐射器5可以用于信号的发射)，以便两个无线电波透镜2和3以及两个一次辐射器4和5被用于信号的接收(或者信号的发射)。在这样的结构中，无线电波透镜天线装置1的增益增加了两倍，并且波束宽度变得尖锐(sharp)。
图4所示的发射器单元53、接收器单元54等可以布置在桌子8上方的未用空间。在这样的结构中，空间被有效地使用，可以减小雷达50的尺寸，并且抑制在无线电波透镜天线装置1与发射器单元53和接收器单元54之间的损耗。这使得能够提高观测范围。
用于保持一次辐射器4和5的臂12通常是马蹄形的。然而，并不具体限制臂12的形状，只要接收一次辐射器4可以布置在发射无线电波透镜2的焦点并且发射一次辐射器5可以布置在接收无线电波透镜3的焦点。臂12可以被形成为大致的弓形。
收纳部分17和18分别被形成以具有大致为马蹄形的横截面。然而，并不具体限制收纳部分17和18的形状，只要避免了一次辐射器4和支撑构件6之间的干扰或者一次辐射器5和支撑构件7之间的干扰。收纳部分17和18可以被形成以具有大致的弓形的横截面。
如图15所示，一种结构其中作为用于支撑一次辐射器4和5的支撑构件的杆(rail)80和81被布置成一次辐射器4和5在仰角方向Y上可枢转，同时一次辐射器4维持于其中一次辐射器4布置在无线电波透镜2的焦点的状态并且一次辐射器5维持于其中一次辐射器5布置在无线电波透镜3的焦点的状态。在这种情况下，如图15所示，用于支撑一次辐射器4的杆80被附设到臂83和支撑构件6，所述臂83被固定到附设于桌子8上的支撑构件82上。用于支撑一次辐射器5的杆81被附设到臂83和支撑构件7。布置在无线电波透镜2的焦点的一次辐射器4和布置在无线电波透镜3的焦点的一次辐射器5每个都被配置成，当执行扫描时，协同桌子8的旋转，沿着杆80和81在仰角方向Y上移动，并且在围绕与中心轴线A正交的轴线B的方位角方向X上枢转。在这样的结构中，获得与图4所示的雷达50相同的优点。
在这种情况下，当在仰角方向Y上定义水平方向为0°以及垂直向下方向为-90°时，一次辐射器4和5被布置成围绕中心轴线A在-90°或者更大角度到90°或者更小角度的范围内可枢转，从而可以使用简单结构很容易地执行复杂的体积扫描。此外，按照与图1所示的无线电波透镜天线装置1相同的方式，用于收纳一次辐射器4和5的收纳部分17和18可以被形成在支撑构件6和7上以支撑无线电波透镜2和3。可以具有多于一个布置在仰角方向Y上的一次辐射器4和5的每个，以便在仰角方向Y上可以同时发射或接收多个信号。这提高了所收集的数据的同时性并且减少了在仰角方向Y上的扫描时间。
在上述实施例中，单个D/A转换器57和单个A/D转换器58被布置在信号处理单元52中。然而，可以具有任何数量的转换器，只要具有至少一个D/A转换器和至少一个A/D转换器。
在上述实施例中，气象雷达作为使用无线电波透镜天线装置1或22的雷达的示例被给出。然而，显而易见，无线电波透镜天线装置1或22可以用在其它雷达中。例如，该雷达可以是风速雷达，其观测受到来自地表面的辐射和吸收直接影响的大气层中的大气运动(风或者湍流)，以在每个高度观测风向和风速。
工业应用
本发明可以被应用到利用无线电波透镜天线装置发射和接收高频无线电波的雷达。

Claims (5)

1.一种雷达，包括：
信号处理单元，所述信号处理单元包括至少一个D/A转换器和至少一个A/D转换器，所述D/A转换器将数字波形数据转换成模拟波形数据并且产生脉冲压缩调制信号，所述A/D转换器将所接收的模拟信号转换成数字信号并且执行脉冲压缩解调；
发射器单元，所述发射器单元包括：
至少一个振荡器，所述振荡器上变频由所述信号处理单元产生的所述脉冲压缩调制信号，以及
第一放大器，所述第一放大器放大已经上变频的脉冲压缩调制信号并且产生RF信号；
天线单元，所述天线单元将由所述发射器单元产生的所述RF信号作为RF波向大气辐射，以及接收在大气中反射或散射并且作为RF信号返回的RF波；以及
接收器单元，所述接收器单元包括第二放大器，所述第二放大器放大由所述天线单元接收的所述RF信号，其中所述接收器利用所述至少一个振荡器下变频由所述第二放大器放大的所述RF信号以产生IF信号，并且将所述IF信号作为模拟信号提供给所述信号处理单元；
所述雷达的特征在于：
所述天线单元包括：
第一和第二发射-接收无线电波透镜，其中所述第一和第二发射-接收无线电波透镜每个都包括焦点并且每个都由电介质形成为球形，从而具有在径向方向上以预定速度变化的相对介电常数；以及
第一和第二发射-接收一次辐射器，分别布置在所述第一和第二发射-接收无线电波透镜的所述焦点，其中所述第一和第二发射-接收一次辐射器被配置成在围绕连接所述第一和第二发射-接收无线电波透镜的每个的中心点的第一轴线的仰角方向上枢转，并且在围绕与所述第一轴线正交的第二轴线的方位角方向上枢转；
第一和第二保持构件，所述第一和第二保持构件分别在所述仰角方向上可枢转地保持所述第一和第二发射-接收一次辐射器；
支撑构件，所述支撑构件可枢转地支撑所述第一和第二保持构件；
旋转构件，所述旋转构件固定所述支撑构件，并且在围绕所述第二轴线的所述方位角方向上是可旋转的；
第一和第二透镜支撑构件，所述第一和第二透镜支撑构件分别从下面支撑所述第一和第二发射-接收无线电波透镜；
第一轴，所述第一轴使所述第一和第二保持构件绕枢轴转动；
第二轴，所述第二轴附设到所述旋转构件，并使所述旋转构件旋转；
第一电动机，所述第一电动机驱动使第一轴旋转；
第二电动机，所述第二电动机驱动使第二轴旋转；
所述第一和第二透镜支撑构件每个都具有收纳部，所述第一透镜支撑构件的收纳部收纳第一发射-接收一次辐射器，所述第二透镜支撑构件的收纳部收纳第二发射-接收一次辐射器；
所述第一轴被设置在所述第一和第二发射-接收无线电波透镜之下，并且可围绕与第一轴线平行的轴线旋转；
所述第二轴被设置在所述第一和第二发射-接收无线电波透镜之下，并且可围绕第二轴线旋转；
当第一电动机被驱动以旋转第一轴，并使第一和第二保持构件绕第一轴线枢转时，第一和第二发射-接收一次辐射器与第一和第二保持构件的枢转协同地在仰角方向上枢转；
当第二电动机被驱动以旋转第二轴，并使旋转构件绕第二轴线旋转时，第一和第二发射-接收一次辐射器与旋转构件的旋转协同地在方位角方向上枢转。
2.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于：所述发射器单元还包括另外的振荡器，所述振荡器用于上变频所述脉冲压缩调制信号并且下变频所接收的RF信号。
3.根据权利要求1或2所述的雷达，其特征在于：
所述信号处理单元产生所述脉冲压缩调制信号，所述脉冲压缩调制信号具有在5MHz到200MHz的范围内可设置的带宽；以及
所述至少一个振荡器将所述脉冲压缩调制信号上变频成具有1GHz到20GHz的中心频率的信号。
4.根据权利要求1或2所述的雷达，其特征在于：所述信号处理单元通过利用频率线性调频脉冲执行脉冲压缩调制而产生所述脉冲压缩调制信号，并且对每个发射脉冲交替地重复正斜率线性调频和负斜率线性调频。
5.根据权利要求1或2所述的雷达，其特征在于：至少一个第三发射-接收一次辐射器，其在所述第一和第二发射-接收无线电波透镜的至少一个的所述焦点沿着所述仰角方向布置。
CN2007800289132A 2006-08-02 2007-07-31 雷达 Active CN101501523B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP211464/2006 2006-08-02
JP2006211464 2006-08-02
PCT/JP2007/064944 WO2008016033A1 (fr) 2006-08-02 2007-07-31 Radar

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101501523A CN101501523A (zh) 2009-08-05
CN101501523B true CN101501523B (zh) 2012-12-05

Family

ID=38997208

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2007800289132A Active CN101501523B (zh) 2006-08-02 2007-07-31 雷达

Country Status (7)

Country Link
US (1) US8018374B2 (zh)
EP (1) EP2051097B1 (zh)
JP (1) JP5040917B2 (zh)
KR (1) KR101268810B1 (zh)
CN (1) CN101501523B (zh)
TW (1) TWI413792B (zh)
WO (1) WO2008016033A1 (zh)

Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8237604B2 (en) * 2009-03-06 2012-08-07 Tialinx, Inc. Virtual beam forming in ultra wideband systems
JP5367487B2 (ja) * 2009-07-22 2013-12-11 株式会社東芝 アンテナ装置
JP5654785B2 (ja) * 2010-06-28 2015-01-14 日鉄住金ファインテック株式会社 回転駆動装置および電波レンズアンテナ装置
JP5529781B2 (ja) * 2011-02-15 2014-06-25 株式会社ソディック 直線運動移動体
TWI424931B (zh) * 2011-08-26 2014-02-01 Wistron Neweb Corp 車用雷達裝置及其天線罩
KR101311307B1 (ko) * 2011-11-29 2013-09-25 국방과학연구소 영상 처리 방법 및 영상 처리 장치
BR102012013956B1 (pt) * 2012-06-11 2022-02-22 Embraer S.A. Sistema de radar meteorológico
US10024954B1 (en) * 2012-11-05 2018-07-17 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Integrated axial choke rotary offset parabolic reflector
US10530051B2 (en) 2013-03-15 2020-01-07 3Z Telecom, Inc. Antenna alignment device and methods for aligning antennas
US20140266925A1 (en) 2013-03-15 2014-09-18 Enzo Dalmazzo Antenna Alignment Device and Clamp
WO2015081519A1 (zh) * 2013-12-04 2015-06-11 中国气象局气象探测中心 气象雷达信号处理方法和系统
LU92331B1 (en) * 2013-12-10 2015-06-11 Iee Sarl Radar sensor with frequency dependent beam steering
WO2015138000A1 (en) * 2014-03-14 2015-09-17 Dalmazzo Enzo Antenna alignment device and clamp
US20160276747A1 (en) * 2015-03-20 2016-09-22 Qualcomm Incorporated Method and apparatus for satellite user terminal antenna pointing
JP6766809B2 (ja) 2015-06-15 2020-10-14 日本電気株式会社 屈折率分布型レンズの設計方法、及び、それを用いたアンテナ装置
US9917362B2 (en) * 2015-07-20 2018-03-13 Viasat, Inc. Hemispherical azimuth and elevation positioning platform
US11909113B2 (en) 2015-08-05 2024-02-20 Matsing, Inc. Squinted feeds in lens-based array antennas
US11050157B2 (en) 2015-08-05 2021-06-29 Matsing, Inc. Antenna lens array for tracking multiple devices
US10559886B2 (en) * 2015-08-05 2020-02-11 Matsing, Inc. Antenna lens array for tracking multiple devices
US11509057B2 (en) 2015-08-05 2022-11-22 Matsing, Inc. RF lens antenna array with reduced grating lobes
US11431099B2 (en) 2015-08-05 2022-08-30 Matsing, Inc. Antenna lens array for azimuth side lobe level reduction
US11394124B2 (en) 2015-08-05 2022-07-19 Matsing, Inc. Antenna lens switched beam array for tracking satellites
US9728860B2 (en) * 2015-08-05 2017-08-08 Matsing Inc. Spherical lens array based multi-beam antennae
US11509056B2 (en) * 2015-08-05 2022-11-22 Matsing, Inc. RF lens antenna array with reduced grating lobes
US10418716B2 (en) * 2015-08-27 2019-09-17 Commscope Technologies Llc Lensed antennas for use in cellular and other communications systems
CN110249484B (zh) * 2016-10-20 2022-05-27 G·卢夫特·梅斯调节技术有限责任公司 用于降水测量的方法和设备
KR102394127B1 (ko) * 2017-02-21 2022-05-04 삼성전자 주식회사 평면 렌즈 안테나를 포함하는 기구 및 이의 제어 방법
CN107121678A (zh) * 2017-05-12 2017-09-01 芜湖航飞科技股份有限公司 雷达
CN111344590A (zh) * 2018-01-30 2020-06-26 古野电气株式会社 雷达天线装置以及方位测定方法
JP7065423B2 (ja) * 2018-09-04 2022-05-12 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 アンテナ装置
US10928498B1 (en) * 2018-09-18 2021-02-23 Apple Inc. Electronic device with circular radar-antenna array
CN109917350A (zh) * 2019-04-15 2019-06-21 上海禾赛光电科技有限公司 激光雷达和激光探测设备
JP7157849B2 (ja) * 2020-11-16 2022-10-20 スマート レーダー システム，インコーポレイテッド レーダー水位測定装置
US20230246345A1 (en) * 2022-02-01 2023-08-03 All.Space Networks Limited Planar multibeam hybrid-electromechanical satcom terminal

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1802774A (zh) * 2003-06-05 2006-07-12 住友电气工业株式会社 无线电波透镜天线

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2888674A (en) * 1951-03-20 1959-05-26 Sperry Rand Corp Dual lens antenna for tracking and searching
US4067009A (en) * 1975-08-01 1978-01-03 James Nickolas Constant Beam focused synthetic aperture
US4025921A (en) * 1975-11-19 1977-05-24 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Technique for obtaining wide bandwidth with optically fed array
US4965573A (en) * 1988-10-03 1990-10-23 Delco Electronics Corporation Forward looking windshear detection system
JPH06138215A (ja) * 1992-10-26 1994-05-20 Nec Corp レーダー信号処理方式
US5781163A (en) * 1995-08-28 1998-07-14 Datron/Transco, Inc. Low profile hemispherical lens antenna array on a ground plane
DE19715997A1 (de) * 1997-04-17 1998-10-22 Daimler Benz Ag Radaranordnung, insbesondere für Kraftfahrzeuge
JPH1114749A (ja) 1997-06-26 1999-01-22 Mitsubishi Electric Corp レーダー装置
FR2770343B1 (fr) * 1997-10-29 1999-12-31 Dassault Electronique Suivi multi-satellites en continu
US6333718B1 (en) * 1997-10-29 2001-12-25 Dassault Electronique Continuous multi-satellite tracking
JP3566598B2 (ja) * 1999-09-30 2004-09-15 株式会社東芝 アンテナ装置
FR2807216B1 (fr) * 2000-03-31 2002-06-21 Thomson Csf Dispositif de motorisation de capteurs dans un recepteur et/ou emetteur a lentille electromagnetique spherique, et recepteur et/ou emetteur comportant un tel dispositif
JP2003110352A (ja) * 2001-09-28 2003-04-11 Sumitomo Electric Ind Ltd 電波レンズアンテナ装置及び同装置用ポインティングマップ
US7348934B2 (en) * 2003-01-30 2008-03-25 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Lens antenna system
JP4165336B2 (ja) 2003-08-08 2008-10-15 住友電気工業株式会社 風速レーダ
US7151484B2 (en) * 2003-09-30 2006-12-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Pulse compression processor
TWM256946U (en) * 2004-05-14 2005-02-11 Ying-Je Huang Turning device
TWI247133B (en) * 2004-11-30 2006-01-11 Chung Shan Inst Of Science System and method for designing/analyzing radar signal processor
US7019682B1 (en) * 2005-04-12 2006-03-28 Trex Enterprises Corp. Imaging millimeter wave radar system
JP4816078B2 (ja) 2005-12-28 2011-11-16 住友電気工業株式会社 電波レンズアンテナ装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1802774A (zh) * 2003-06-05 2006-07-12 住友电气工业株式会社 无线电波透镜天线

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP特开2001-183450A 2001.07.06
JP特开2005-61905A 2005.03.10

Also Published As

Publication number Publication date
KR20090042938A (ko) 2009-05-04
EP2051097A1 (en) 2009-04-22
TWI413792B (zh) 2013-11-01
CN101501523A (zh) 2009-08-05
WO2008016033A1 (fr) 2008-02-07
JPWO2008016033A1 (ja) 2009-12-24
EP2051097A4 (en) 2014-04-02
TW200817710A (en) 2008-04-16
US8018374B2 (en) 2011-09-13
KR101268810B1 (ko) 2013-05-28
JP5040917B2 (ja) 2012-10-03
US20100001900A1 (en) 2010-01-07
EP2051097B1 (en) 2017-09-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101501523B (zh) 雷达
JP4816078B2 (ja) 電波レンズアンテナ装置
US20210389454A1 (en) Dual-polarized phased array antenna and dual-polarized phased array weather radar
CN111983617B (zh) 双偏振相控阵天气雷达
CN101467066A (zh) 风速雷达
CN106486784A (zh) 反射式天线阵列及波束扫描方法
US6437738B1 (en) Hexagonal-annulus phased array antenna for radar wind profiling on moving platforms
CN110501677B (zh) 一种广域补偿毫米波雷达传感器及其使用方法
CN111505615A (zh) 一种横向圆柱面双偏振相控阵模块及雷达系统
CN202421499U (zh) 一种单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置
CN211957883U (zh) 一种双偏振相控阵天线及双偏振相控阵天气雷达
CN107703508A (zh) 多频段云雨测量装置及测量方法
CN102570007B (zh) 一种含法向振子的可重构广角天线
CN203910969U (zh) 一种同时多波束相控阵天线
JP6865897B2 (ja) 低地球軌道衛星からのデータを受信するアンテナ
CN206180126U (zh) 天线组件及无人飞行器
US3153787A (en) Scanning antenna with power modulation
JP4258570B2 (ja) 風速レーダ
CN201112554Y (zh) 镜面扫描阵列天线
Nishizawa et al. A 1.3 GHz active phased array antenna for wind profiling boundary layer radar

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES CO., LTD.

Free format text: FORMER OWNER: SEI COMPOSITE PRODUCTS CO., LTD.

Effective date: 20091120

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20091120

Address after: Japan Osaka

Applicant after: Sumitomo Electric Industries, Ltd.

Address before: Osaka Japan

Applicant before: SEI Hybrid Products Inc.

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant