CN102216804B - 声雷达系统中的除冰系统 - Google Patents

Abstract

一种用来加热相控阵列单静态声雷达设备(1000)的声反射反射镜表面(40)的系统。该系统具有：位于与反射镜(40)间隔开的位置处的热源(70)；控制热源(70)的操作的控制系统(221)；工作流体(50)，该工作流体被热源(70)加热并且用于从源(70)传递热到反射镜(40)；和递送系统(60，80，90)，该递送系统约束已加热的工作流体(50)并且将它从热源(70)递送到反射镜(40)。

Description

声雷达系统中的除冰系统

技术领域

本发明涉及一种使用定向声波用来远程地检测诸如风速的大气现象的系统。

背景技术

声雷达系统使用定向声波来检测诸如风速的大气现象。通过沿许多方向将声束定向到大气中，并且测量从大气中的湍流和不连续返回的回声的多普勒频移，可以精确地估计风速和其它大气现象。目前使用的主要类型的声雷达是单静态相控阵列声雷达。单静态声雷达系统从单个部位发出声束且倾听它们的反射。通过使用声换能器的阵列(该声换能器的阵列以成组的不同相位发射和接收以便如希望地定向发射的声束和敏感区域)，相控阵列单静态声雷达沿不同方向定向该束，并且对从这些方向返回的回声敏感。

相控阵列单静态声雷达经常布置有竖直安装在外壳中的相控阵列，该相控阵列沿大体上水平的方向发射该束。该束冲击以大体上与水平面成45度角安装的平的声反射表面或反射镜。通过这种反射镜，该束被向上反射到大体上竖直的方向中。现有技术中已知的这种布置允许该束沿必要的方向投射，同时大体上保护包括阵列和相关电子设备的换能器免受可能干涉操作或者甚至永久损坏阵列系统的雨、雪和其它形式的降水。

这种技术的缺点是，在寒冷的冬天气候期间和之后，可能聚集在反射镜上的雪、冰雨和不均匀积聚的冰会阻止系统适当地操作。反射镜除冰系统的现有技术尝试具有使它们至多勉强够格的缺点。

反射镜除冰系统的一个现有技术尝试使用安装在反射镜表面下面的丙烷辐射催化加热器，其中加热器废气直接排放到反射镜下方的声雷达罩壳中。由于系统产生的热的不均匀分配，这个系统是不足的。在由加热器直接加热的相对小的区域上实现雪融化。尽管使用的铝反射镜的相对良好的热传递性质，来自辐射加热器的另外的热在煮沸被直接加热的区域中的水和加热这个区域上方的空气中被消耗，同时不可接受的量的冰和雪留在反射镜的其它部分中。这个系统的另外缺点是，当辐射加热器燃烧丙烷时产生的湿气被释放到该仪器的下外壳中，在那里它在反射镜的后表面和罩壳的侧壁上凝结为水和冰、浸透内部隔音材料并且提供湿气源，该湿气源可能对该罩壳中的电子设备有害。

也存在一种除冰系统，该除冰系统具有安装在反射镜的上表面上的电阻加热器。有效除冰系统所需的能量的量使得不能期望电除冰器使用电池或太阳能面板和电池电源有效地操作。因此，这个约束迫使该系统安装有基于内燃机的发电机系统，或者具有来自外部源的公用电源。

发明内容

本发明包括一种加热系统，该加热系统用来融化冰和雪，且/或防止冰和雪积聚在配备有大体上竖直安装的相控换能器阵列的类型的声雷达的反射镜元件上的反射表面上，该相控换能器阵列沿大体上水平的方向发射束以便离开反射镜被反射到希望的大体上竖直的方向中。

该创造性加热系统包括热源，该热源传递热到热传递介质，该热传递介质是气体或液体流体。该流体循环过一个或更多个通道、管或合适的循环室，以便以充分均匀的方式将热分配在反射镜元件的表面上。

在优选实施例中，该系统包括丙烷燃火催化加热器，该丙烷燃火催化加热器设计成将产生的热传递到液体热传递介质。这个加热器是燃料高效率的独立单元，该单元具有燃烧空气进口和废气出口，该燃烧空气进口和废气出口允许燃烧副产物排出到声雷达设备外部以便防止这些产物在仪器外壳内的不希望的积聚。该加热器可以是意图用作发动机缸体加热器(用于在冷的气候中使用的大的柴油机)但适合该应用的现成单元，或者它可以为不同类型或由催化的或其它类型的加热器制成，或者甚至是为该应用定制设计的一个加热器。该加热器可以使用不同于丙烷的燃料。在优选实施例中，该加热器安装在主声雷达设备外壳内。替代地，这个加热器可以安装在主设备外壳外部的罩壳中以便最小化燃料气体或有害燃烧副产物积聚在主设备外壳内的风险。

优选实施例还包括使液体循环的循环泵和循环管网，该循环管网固定成与反射镜的后表面紧密热接触以允许来自液体的热以充分分配热的方式传递到反射镜，使得最大部分的热被有效地用于融化落到暴露的反射镜表面上或存在于暴露的反射镜表面上的冻结的降水。在优选实施例中，工作流体是丙二醇和水的环境有利防冻溶液，虽然可以替代地使用其它合适液体。

在优选实施例中，加热器由来自微处理器系统的信号控制，该微处理器系统实现声雷达设备的正常操作。在优选实施例中，通过借助安装在声雷达设备的上边缘上的电子降水传感器的降水的检测，并且通过环境温度(该环境温度必须伴随声雷达设备的精确的风速测量而被测量)的观察，控制加热器。当控制器检测到降水和冻结的环境温度的同时存在时，反射镜加热循环将开始。当反射镜上的温度传感器检测到反射镜足够暖以保证可能已经存在的任何雪或冰的融化时，可以终止加热循环。

在优选实施例中，从典型地用于气体烧烤格栅的类型的通常可用的可再填充储罐为加热器供应丙烷。值得注意的是，20磅LP储罐中的气体能够提供大约430000BTU(英国热量单位)的热量。为了在铅酸蓄电池中存储相等量的热，将需要大约106个100安培-小时深循环电池，每一个深循环电池能够存储1.2kWh(或4100BTU)。这证明了为什么创造性加热系统比基于电池供应的电加热器的任何系统实用得多。替代地，对于预期除冰要求特别严格或访问以维修设备必须很少的场所，或者对于预期除冰要求特别严格且者访问以维修设备必须很少的场所，可以使用多个气体储罐或较大类型的储罐。

在创造性系统的替代实施例中，可能存在辅助管以沿该设备的排出路径或排出孔循环工作流体；排出孔允许可能落在反射镜上的任何降水排出该仪器。这个辅助管的目的是防止冰坝的可能的形成，如果仅仅反射镜自身被加热，则该冰坝可能堵塞该设备的排出。

在创造性系统的另一替代实施例中，管道可以被固定到反射镜的后部的通风室腔代替，该通风室腔完全填充有液体工作流体。

在创造性系统的另一替代实施例中，该加热器为设计成加热空气的类型，并且该空气通过对流或通过使用电提供动力的鼓风机循环通过固定到反射镜的后部的一个或更多个通路。

在创造性系统的另一个替代实施例中，该加热器为辐射类型或者为意图加热空气的类型，并且封闭的密封的热管借助乙醇、低压水或一些其它合适的低沸点工作流体来将热充分均匀地分配在反射镜的表面上。

在创造性系统的另一替代实施例中，该加热器为意图加热空气的类型或为意图用于辐射加热的类型，并且安装在反射镜的正下方的通风室腔内。该通风室配备有通向设备的外部的入口和出口以允许燃烧副产物的充分逃逸并且提供足够的新鲜组成的空气，但允许空气和燃烧副产物的大部分通过对流或通过鼓风机或风扇在通风室内循环，以便将热充分均匀地分配在反射镜的表面上。

在这些实施例的任何实施例中，可能存在另外的变型，其中一个或更多个热太阳能收集器用于加热是液体或空气的工作流体以便减小气体的消耗，或者替代地在气体供应耗尽的情况下用作备用热源，或者还替代地在调节或其它约束可能阻止气体的使用的情况下完全取代气体加热器。不必说，在这个替代实施例中，加热系统将不大可能在降水事件期间阻止冰或雪积聚在反射镜上，这是由于在这种事件期间充分的太阳能不大可能是可用的。然而，这种系统保持效用，这是由于当太阳能以后变得可用时融化积聚的降水的能力可以比降水移除依赖于偶然的暖天气或设备的维修访问可能由于雪或冰事件而已经变得难以达到的情况快得多地使声雷达返回到正常操作。

在又一替代实施例中，工作流体是液体，并且与内燃发电机的冷却系统共享，来自发电机的废热用于加热用于加热反射镜的液体。这种系统在诸如由受让人制造的电高效率声雷达系统的情况下价值不大，但对在其电的使用中效率十分低(发电机需要在远处长期操作)的声雷达设备可能有用。

在其它替代实施例中，控制加热器的操作的控制系统可以与控制声雷达设备的主操作功能的微处理器分离。在另外的替代实施例中，声雷达系统的性能的不明原因的降低可以用于指示控制器需要加热。在另一替代实施例中，该设备的速度感测能力可用作用于检测或感测降水的存在的手段，以便避免需要专用于降水的检测的传感器；通过单静态声雷达系统中的正常声雷达速度感测系统的询问的这种降水感测在2009年3月9日提交的临时专利申请No.61/158589中被公开，该临时专利申请的公开内容通过引用并入这里。

在又一些另外替代实施例中，基于来自任何或所有上述传感器的测量的观察或另外地基于从仪器外部的源获得的关于本地气候状况的信息，可以由操作员或自动远程控制系统远程地(或者甚至本地地)启动加热器的控制。

本发明的特征在于一种用来加热相控阵列单静态声雷达设备的声反射反射镜表面的系统，该系统包括：位于与反射镜间隔开的位置的热源；控制热源的操作的控制系统；工作流体，该工作流体由热源加热并且用于将热从热源传递到反射镜；和递送系统，该递送系统约束已加热的工作流体并且将它从热源递送到反射镜。

热源可包括由可燃气体供以燃料的加热器。可燃气体可以是丙烷，并且加热器可以催化地操作，以没有明火地氧化丙烷。递送系统可包括加热器安装在其中的通风室，其中这个室的一个表面是反射镜的后表面，并且其中来自加热器的燃烧产物直接排出到通风室中，并且从该通风室获得用于燃烧的空气，工作流体是空气和加热器燃烧副产物的混合物，并且该通风室配备有出口和入口以允许足够的新鲜空气进入以维持催化燃烧和足够的燃烧副产物离开，但在该通风室中空气和燃烧副产物的混合物作为工作流体也循环以将热传递到反射镜。

工作流体可以是液体。递送系统可包括电驱动的循环泵，该循环泵将工作流体从加热器循环到反射镜并且返回。递送系统还可包括工作流体在其中循环的一系列管，其中该管联接到反射镜以便实现有效的热连接，该有效的热连接高效率地且相对均匀地将热从管传递到反射镜。该系统还可包括一个或更多个管联接到其上的一个或更多个传导性结构，该结构的尺寸和形状设计成在管的周边的大部分上管的外表面相符合，并且具有联接到反射镜的后表面的基本上平的表面，以实现管和反射镜之间的有效热连接。该系统还可包括热传导性环氧树脂粘合剂，该热传导性环氧树脂粘合剂用于对传导性结构和反射镜之间的热传递形成低阻连接。热传导性环氧树脂粘合剂也可用于对管和传导性结构之间的热传递形成低阻连接。管、传导性结构和反射镜可以全部由相同的金属制成。

该系统还可包括热传导性油脂，该热传导性油脂用于对传导性结构和管之间的热传递形成低阻连接，该传导性油脂允许管和传导性结构在必要时相对彼此移位以便使由于差异热膨胀而导致的任一部件中的破坏性应力最小化。热源还可包括工作流体也可循环通过它的太阳能加热面板，以对工作流体提供补充的太阳能热。声雷达设备可具有排出孔开口以从设备排出降水液体，并且递送系统还可以构造且布置成使已加热的工作流体循环通过排出孔的部位。

工作流体可以是通过对流被循环的液体。递送系统可包括液体封套，该液体封套联接到反射镜以便形成位于反射镜的基本所有后表面后面的液体室，其中工作流体循环通过液体封套。该流体可以通过泵或对流而循环。工作流体可以是防冻溶液。热源可以包括太阳能面板。热源可以包括具有液体冷却系统的内燃机，并且工作流体是与内燃机的冷却系统共享的液体。

工作流体可以是空气。递送系统可包括使空气循环的电驱动的鼓风机或风扇。递送系统还可包括管道，该管道被构造且布置成使得它包含已加热的空气，使得已加热的空气在反射镜的基本所有后表面上循环。空气可以通过对流而循环。工作流体可包括低沸点流体并且递送系统包括包含工作流体的一系列密封的热管。

控制系统可包括用于感测降水的装置、环境温度传感器和感测反射镜的温度的反射镜温度传感器，其中控制系统在同时检测到降水和接近或低于水的冻结点的环境温度或反射镜温度的情况下打开热源。当反射镜温度达到高于冻结点的至少一定温度时，控制系统可关闭热源。

附图说明

结合附图考虑时本发明将变得更好理解，本发明的各种其它目标、特征和优点将变得完全被理解，其中在所有数个视图中，相同附图标记指示相同或相似部件，并且其中：

图1A-1D是声雷达设备的透视图、顶视图和剖视图，通过该声雷达设备可使用本发明。

图2是示意图或方块图，示出创造性系统的优选实施例的各种部件和它们如何作为系统一起工作。

图3、3A、3B和3C示出在优选实施例和替代实施例中管网安装到反射镜的后部的细节。

图4A-4C示出现有技术加热器系统与创造性系统的性能对比。

图4D是反射镜的后视图，详细描述本发明的实施例中的挤出件的放置和热传递流体的流动。

图5是创造性系统的优选实施例的透视部分剖视图。

图6是替代实施例的概念上的剖视草图，其中工作热传递流体是空气。

图7是另一替代实施例的概念上的剖视草图，其中使用热管。

图8是另一替代实施例的概念上的剖视草图，其中加热器在安装在反射镜的后部上的通风室内排放。

图9是另一实施例的概念上的剖视草图，其中管道系统被反射镜下面的液体通风室代替。

图10A-10C是替代实施例的示意图，其中热分别通过以下提供：除了催化加热器外还由辅助太阳能面板提供；由太阳能面板系统单独提供；和通过从用于其它目的的内燃机提供动力的发电机回收废热。

具体实施方式

本创造性系统用于使用大体上竖直安装的换能器阵列和暴露到各元件的声反射镜的那种类型的声雷达设备。图1A-1D种示出这种声雷达设备的一个例子，应当理解，这仅仅是可使用本发明的那种类型的声雷达设备和系统的一个例子，并且决不限制本发明的范围。相控阵列单静态声雷达设备由单个声换能器的阵列100组成。换能器连接到电子设备和数据处理系统(未示出)，该电子设备和数据处理系统使换能器沿如示出的大体水平方向发出相控阵列声束30。这些束冲击固体光滑表面(“声反射镜”或“反射镜”40)，该固体光滑表面使声束被基本上向上反射为反射束31。反射镜40典型地为铝板，但可以由可经受户外暴露的其它具有充足的热传导性和声反射性的材料制成，这将仍然实现本发明。非限制性例子包括黄铜或铜(它提供的优点是，管、反射镜和任何其它热传递结构可以由这种材料制成并且铜焊或软焊在一起)、钢、或者热传导性塑料或玻璃纤维。

反射声束31影响上方大气中的湍流和密度变化。来自这些束的声能中的一些声能沿与向外去的束31和30相同的路径被反射回(返回束以虚线32和33被描绘)，返回到相控阵列100中的换能器，在该换能器，它们被电子设备封装的接收部件检测。声雷达系统的这些部件安装在外壳1000中，该外壳支撑各种部件，并且该外壳也可用于阻塞来自不希望的方向的杂散声传输和接收。

外壳1000的通道部分133提供有效的护罩以保护阵列100避免降水。反射镜40由于设备执行其意图功能的必要性而暴露到降水。在降水以液体雨的形式落下的情况下，它可以通过外壳1000的下开口或“排水孔”部分134无害地排出并且不干涉系统操作。

使用阵列中的换能器的六边形布置和紧密符合这里描述的希望的束形状外壳的声雷达设备的特别构造和布置是优选的，并且对其进行描述以便更好地描述使用本发明的环境。但与其它声雷达构造一样，六边形阵列和紧密符合束形状的外壳都不构成对本发明的限制，其中布置成非六边形图案的阵列和不紧密符合束形状的外壳可以同样受益于这里描述的本发明，只要该构造包括大体上竖直安装的并且被保护而免受直接降水的阵列，该阵列沿水平方向发出声音，该声音被反射离开暴露到降水的反射表面。

单静态声雷达使用顺序的定向声束作为它们的操作的一部分。各个声换能器典型地以接近球的表面的宽波前发射声音，使得它们在没有聚焦机构的情况下不适合声雷达用途。紧密填充且均匀间隔开的换能器的阵列100通过产生波前的复合干涉图案可实现聚焦，该复合干涉图案有效地产生比单个换能器的主束窄的主束。束的角展度与阵列中的换能器的数量有关：更多换能器通常可产生较窄的束。三十二到六十个换能器的阵列通常足以产生对于声雷达应用足够窄的束；阵列100具有三十六个换能器。每个换能器具有圆形致动器和喇叭。换能器沿多个平行的排被紧密地填充(在本发明的非限制性优选实施例中，具有七个这种排，相邻的排中的换能器沿垂直于排的方向彼此偏移大约换能器直径的一半(更具体地，

))。这种布置在这里称为大体上六边形的网格填充布置。

每个换能器优选地具有六边形的总体周边形状，紧密外接大约3英寸直径的圆形有效喇叭区域。换能器基于在外部形状上被修改以方便大体上六边形的网格填充布置的标准压电喇叭“高频扬声器”元件。可以用塑料锥(优选地为聚碳酸酯或聚酯薄膜(它是双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜))或等同物替代换能器的纸锥，以改善设备的抗气候性。为了在设备中的方便的安装和更换，换能器设置有连接器。换能器设计成以对该设备来说优选的大约4000Hz(更具体地，4425Hz)的操作频率作为发射器和接收器高效率地操作。换能器的尺寸使得相控阵列技术可以使用合理数量的换能器来产生具有良好方向性的声束。换能器元件的其它形状和类型不那么高效率地组装为六边形阵列，在希望的操作频率下作为发射器和接收器不能高效率操作，并且不那么适合于安装于在暴露环境中操作的设备中。

阵列的大体上六边形的外部形状和阵列的大体上六边形的网格填充布置也允许在没有机械装置的情况下使束转向所必需的方向控制。通过驱动成一系列平行的排的换能器来实现束的转向，每一排中的换能器彼此同相地被驱动，并且每一排以相同的波长被驱动但具有连续的等相排到排移位。如果在排之间没有相移位，则主束沿垂直于阵列的平面的轴线被发射。由于引入相移位，因此干涉图案改变使得所述束指向不再竖直的高度(假定阵列是水平的)。而且，所述束垂直于组成每一排的换能器沿其放置的轴线。因此，通过驱动不同相对取向的排中的换能器，可以产生沿希望的方位角方向指向的束。

阵列100由一系列排的紧密填充的换能器组成。每个换能器具有大体上六边形的周边形状。这个周边紧密地外接圆形的有效换能器区域。六边形周边主要存在以方便组装该阵列。在有效换能器区域自身为六边形的情况下，可能存在一些另外优点，有效地消除阵列中的所有死(即，不产生声的)区。类似地，具有正方形有效喇叭区域的正方形换能器与偏移大约换能器宽度的一半的相邻的排中的换能器一起可提供与现有技术矩形布置的阵列相比的一些(但不是全部)益处。该阵列自身优选地具有大体上六边形周边。

大体上六边形的阵列关于间隔开60度的六条径向轴线物理对称。这可以通过组成六边形的六个边的六个外排的每一个中的两个或更多个换能器被实现；因此换能器的最小数量是七。而且，换能器被紧密地填充成阵列，阵列的相邻的平行排的轴线偏移

(近似0.866)倍换能器宽度。大体上六边形的网格填充布置允许操作从沿主束轴发射的三到六个大体上圆锥形的束顺序地产生，该主束轴大体上绕假想竖直锥体的表面对称并且位于假想竖直锥体的表面上，该假想竖直锥体的顶点位于垂直于阵列的轴线上。优选的实施例产生间隔开120°的三个这种束。该束处于由操作的方式确定的有利高度。束的有效长度是阵列直径的大约400倍。

由于阵列100的换能器布置是关于六边形阵列的六个边中的每一个对称的，因此三个束基本上彼此相同，仅有的差别是束的主轴的方位角方向。可以产生多达六个这种束。

喇叭形罩壳1000类似地对称成形，限定绕罩壳1000的中心竖直轴线105间隔开120°的三个相同地成形的凸起102、104和106。在罩壳1000中，阵列100优选地竖直布置在通道门122后面并且直接面对反射镜40的平的声反射表面，该声反射表面与竖直方向成45°使得它充当声反射镜。见图1D的剖视图。这种布置在声学上接近水平地布置在罩壳的中心底部的所述阵列100。竖直阵列位置抑制换能器收集水、冰、雪或碎片。

在一个非限制性实施例中，每个换能器在直径上大约为3英寸，并且该阵列以对应于近似3英寸的波长的频率操作。典型的频率可以是4425Hz。已经发现这个波长附近的声从大气中的湍流和热梯度反射并穿过大气中的湍流和热梯度，对声雷达操作来说是必要的折衷。通过由成七排的三十六个换能器组成的优选阵列，从排到排的相移位是大约60度(或大约3.75×10^-5秒)，这实现基本上竖直的束，该束从换能器的平面的法线在高度上从竖直方向以大约10度(更具体地，以11.2度)略微倾斜，并且具有从主束轴线到半功率点测量的大约为5度的主束角宽度。在位于离开束主轴线大约10度的空值(null)处，束功率下降到大约零(大约20度的总束宽度)。优选地，外壳1000的三个凸起102、104和106的每一个分别限定位于大约用于束1、2和3的这个空值的部位的内表面。在罩壳被加衬有声吸收材料的情况下，这个内表面被定义为声吸收材料的内表面。这允许在大气感测中使用完全的主束，同时有助于截取且因此抑制不是主束的一部分的不想要的发射物和不是主束的反射的不想要的返回信号。替代地，罩壳的内表面可以更靠近束的主轴，这将产生较窄的较小功率的束。

该阵列的非限制性优选实施例具有三十六个换能器；在阵列的中央没有换能器，虽然可以有。这主要由于优选实施例中的电子设备，该电子设备被设计在通常用于环绕声应用的集成电路周围。这些电路各具有3个左通道和3个右通道，每一个总共6个通道。因此，对于发射电路的总共六个几何上和电子上相同的子部分，阵列的每一个六十度部分可以由这些电路中的一个巧妙地处理。添加第37个换能器到阵列的中央会因此显著增加发射电路设计以及固件的复杂性。测试显示，中央扬声器对该单元的方向性不具有显著的影响，最多它可能增加方向性3％，而它增加电子设备的成本和复杂性可能多达17％。因此，省去中央扬声器是成本和功能性之间的适当权衡。

罩壳的非限制性优选实施例由结构1000组成，该结构1000成形为以某一精度部分地包封声雷达的敏感度的多个希望的束和对应锥体。内部侧壁128、129和130是部分地圆锥形的，分别外接主束的大约一半，并且位于第一空值处，如在已经通过引用并入这里的先前申请中进一步描述的。这些壁优选地加衬有声吸收材料。例如图中示出的侧壁128和129的内部加衬有一层或更多层声吸收材料181。非常靠近阵列100的大体上圆锥形的壁133也加衬有材料181。

外壳1000的上边缘108优选地以大的半径被圆整，该大的半径优选地等于或大于发射的声的波长。三个相同的半椭圆形上边缘段通过在六个位置112螺栓连接到罩壳本体116中的螺纹插入件，并且在三个位置114螺栓连接到成对的螺纹插入件而将该结构连接在一起。边缘部分基本上沿水平平面与由三个声束的第一空值限定的三个成角度的圆锥体的每一个的相交处连接。罩壳举升和/或锚固有眼螺栓可以在部位114拧入插入件中。替代地，卫星天线或蜂窝天线142可以安装在一个部位114。

由于单个阵列声雷达的束从单个相控阵列100的表面发出，但在不同方向上，它们的圆锥形轮廓在阵列附近在空间上重叠。这意味着包封结构具有如图中所示的独特的“有凹槽的”形状。如果该形状竖直延伸，它将变成连接在基座的三喇叭罩壳。由于这种结构的高度将是不实用的，因此有凹槽的形状最佳用于声雷达系统的希望的便携性。组成三个凹槽中的每一个的罩壳壁在横截面上大体上限定半圆；由于圆锥体从竖直方向倾斜，因此水平横截面是椭圆形的。考虑45°反射体40，圆锥体全部从阵列100发出。在优选实施例中，该结构具有从安装基座146的底部开始的近似74英寸的总高度。在任何两个凹槽之间在最宽点处到边缘108的外侧的测量的宽度近似为70英寸。

在非限制性优选实施例中，在圆锥形束近似水平地从相控阵列行进到反射镜时，外壳精确地包封圆锥形束的形状，并且在圆锥形束反射离开反射镜和离开外壳的顶部时，也包封束形状。恰好在三个圆锥形声束从阵列100发出之后，表面133包围三个圆锥形声束。这个表面封闭三个束占据的体积的联合体。表面133的形状基本上为圆锥形部分。更具体地，优选地其形状是在表面133的部位处反射离开声反射镜的、罩壳的内部的三凸起有凹槽的形状的延伸。恰好在离开阵列100之后，束大体上足够地重叠使得三个重叠的圆锥体和单个基本上圆锥体的形状之间的形状差异不是很显著，并且表面133实际上可以形成为在性能上具有很小差异的简单的圆锥形部分表面。虽然表面133的广度不大，但它接近阵列100使得它在截取声束的侧凸起中具有比其尺寸将暗示的更重要的意义。

外壳的形状不是连续地顺从束的形状的其它实施例是可能的。在极端情况中，外壳可具有任意(例如直线)形状，顶部处的仅有的开口在束离开外壳时与束的横截面轮廓相符，例如通过使用如优选实施例中的相同边缘。为了与优选实施例一样执行，这种直线外壳将需要优良的声吸收材料来阻尼内部束反射。

在优选实施例中，外壳在竖直安装的相控阵列的下方在反射体的下端部配备有开口或排水孔(图1D中的134)，该开口或排水孔形成适当的尺寸以提供通道以便雨水、叶子和其它碎片离开外壳。此外，对于冷气候装置，反射体配备有创造性加热系统以融化可能积聚的任何雪或冰，并且允许这种降水也以液体的形式离开排水孔。其它实施例是可能的，例如具有用于降水液体的排出装置，但没有用来允许碎屑(其中这不大可能积聚)的离开的任何装置，或者通过在外壳的开口的上方设置声音能充分地透过的合适的筛网以首先抑制碎屑进入外壳。

在优选实施例中，外壳设置有六边形相控阵列，该六边形相控阵列发射在方位角上彼此间隔120°的从竖直方向倾斜的三个束。然而，其它实施例是可能，其中外壳装配到其它相控阵列体系结构，其它相控阵列体系结构包括发射一个正竖直的束和在方位角上彼此成90°角取向的两个倾斜的束的更常规的矩形网格填充布置相控阵列，如美国专利4558594中详细描述的。在这个后者情况中，系统的总体性能将劣于具有三个或更多个对称的束的优选实施例。然而，由于现有技术矩形网格阵列相对于优选实施例的六边形网格阵列的显著较差的方向性能，具有限定两个或更多个大体上部分椭圆形的边缘段的边缘并且优选地具有位于三个束中的每一个的第一空值处的壁的外壳将具有显著较大的价值。

在优选实施例中，六边形相控阵列安装成使得三个束中的一个沿与阵列相反的方位角方向离开倾斜的反射体，并且另外两个束沿以60°角在阵列上方大体上向后反射的方位角取向，导致最紧凑的总体尺寸。在尺寸是不太重要的关注点的情况下，其它实施例是可能的。

借助它可使用所述创造性除冰系统的声雷达设备的优选的但非限制性的实施例和使用这种设备的声雷达系统的操作在以下共同转让的待决美国专利申请中被进一步公开，所有该美国专利申请通过引用整体并入这里：序列号11/934915，提交日期为2007年11月5日，题为“Transducer Array Arrangement and Operation for SodarApplications”；序列号12/117994，提交日期为2008年5月9日，题为“Sodar Housing with Non-Woven Fabric Lining for SoundAbsorption”；序列号12/125166，提交日期为2008年5月22日，题为“Housings For Phased Array Monostatic Sodar Systems”；和序列号12/129806，提交日期为2008年5月30日，题为“Waterproof MembraneCover for Acoustic Arrays in Sodar Systems”。

图2以示意图的形式示出创造性系统的优选实施例。反射镜40由在循环管60内循环的流体50加热。这种流体由催化丙烷烧制加热器系统70加热。这种加热器系统由多孔耐火催化燃烧元件组成，在该多孔耐火催化燃烧元件中丙烷被氧化，释放其热能。这种类型的加热器比明火加热器的效率更高，并且也比具有明火的加热器更安全(尤其是，由于它位于具有潜在可燃材料的外壳的内部)。该燃烧元件大体上被水套的内壁包围并且与水套的内壁紧密热接触，该水套允许循环的流体吸收释放的热能。流体循环泵80用于保持流体50循环以便高效率地从加热器传递热并且将热均匀地分配在反射镜40上。

比现有技术系统分配较大量的热并且也将这些热比通过现有技术系统而可能的情况更均匀地分配在反射镜上的能力表现出胜过现有技术的显著的且独特的改进。

循环系统也包含辅助部件软管90以使泵、加热器和循环管互连。储液器95允许工作流体50在它温度改变时膨胀和收缩。填充/排放配件96被设置用来方便以流体50填充该系统并且允许循环系统内的压力维持与周围压力平衡。柔性排出软管97和封闭件98被设置用来方便排出流体50到合适的容器中以便以后再用或回收并且在系统必须被排放以便维修、运输等的情况下防止溢出。

控制系统21被设置用来控制加热器70和循环泵80。这个控制系统也提供电路系统以与下面论述的传感器通过接口连接，并且与总体声雷达设备的主控制器20通信。控制系统21可由到泵、加热器和传感器的简单接口组成，以便允许总体声雷达系统控制器20内或在别处的加热器控制软件控制加热器，或者控制系统21可包含控制微处理器，该控制微处理器内部地有效地实现加热器系统的控制。包含在主控制器20和加热器控制器21内的控制系统的比例对于本领域技术人员来说显然是方便的问题。

控制器20可以通过人造卫星调制解调器22和天线23，或通过对本领域技术人员来说将显然的其它合适的控制和通信装置进一步连接到远程的且外部的自动、半自动或手动控制系统。这种通信连接可提供以下能力：手动控制加热器、半自动控制加热器、从远处(例如在制造者的本部)自动控制加热器、或者从远处下载自动加热器控制算法到控制器20和/或21，所述控制程序在控制器20和21内被本地执行。

控制器21操作性地连接到湿度传感器29，该湿度传感器提供感测或检测降水的一个装置。控制器21也操作性地连接到温度传感器24、25和26，这些温度传感器分别监视反射镜上的温度、加热器出口处的温度和加热器入口处的温度，以便监视系统操作。环境空气温度传感器29被设置用于其它目的，被控制器20用来使声雷达设备的声束精确转向，但也可以被加热器控制系统用来确定降水(如果存在)是以雨的形式还是以可能冻结的形式(这可能需要被反射镜40融化)落下。

控制该系统的一个策略如下：在操作中，加热器系统在大多数时间维持关闭。当湿度传感器感测超过痕量的降水时，并且当环境空气温度或反射镜温度接近或低于水的冻结点时，将激活加热器系统(首先通过起动加热器，并且通过打开循环泵而使加热器正在操作)。一旦该泵正在运行，操作将继续，直到降水传感器不再检测到降水，并且直到反射镜表面已经达到足够高的温度以保证所有雪或冰已经融化。基于声雷达系统性能的观察、可能降水的远程感测、来自声雷达用户的或制造者的办公室的半自动或手动远程控制的其它控制策略是可能的。

加热器70设置有烟道71和排气口72以将湿气和其它燃烧副产物带出设备罩壳。进气口73被设置用来供应空气到加热器70以便燃烧。加热器70通过软管74、调节器75和储罐76被供应有气体。储罐76可以位于声雷达外壳内，并且为典型地用于燃气烧烤格栅的可容易利用且可容易再填充的类型(20磅液体丙烷储罐)。替代地，根据如由访问该场所以再填充储罐的简易性，预期加热器需求等决定的应用的需要，储罐76可以是外壳外部的较大的储罐。

图3示出用于优选实施例的循环管60到反射镜40的优选的机械和热连接的细节。该设备的早先测试显示，关键的和困难的设计要求是从循环管60内的流体50到反射镜40的热的高效率传递。管和反射镜之间的简单物理接触或者管到反射镜的接近是不充分的。循环管直接到反射镜的简单粘接从质量控制观点来看是有问题的并且具有临界热传递性质。

图3A以横截面示出一个或更多个铝热传递挤出件61在优选实施例中的使用，该挤出件借助热传导性环氧树脂62，并且可任选地也借助紧固件63紧固到反射镜。循环管60沿轴向滑动到挤出件61中。热传导性的环氧树脂62也用在管60和挤出件61之间以在管60和挤出件61之间提供有效的热传递。这种方法解决许多问题。举例来说，依靠环氧树脂62在其上提供挤出件61和反射镜40之间的热传递路径的相对大的表面面积64，并且借助管60和挤出件61之间的热传递路径的相对大的表面面积，热以最小热阻从流体50有效地且高效地传递到反射镜40。另外，挤出件61提供将热更均匀地分配在反射镜40上的装置。挤出件61可以是用于建筑物HVAC系统中的辐射加热系统的原料挤出件，如图3B中所示。在优选实施例中，挤出件60是具有不同横截面形状的定制挤出件61a，如图3C中所示，其中铝的厚度如所示的那样从管逐渐变小，以便最大化这种热分配的效率。这个挤出件也包括加强凸缘61b和61c，如图3C中所示，使得挤出件可提供双重功能，服务于加热需要并且也用作用于反射镜的结构加强元件。

在优选实施例中，管60、挤出件61和反射镜40全部是铝的并且这些元件之间的差异热膨胀不是问题。替代地，管60可以由铜制成，在这种情况下，管和其它元件之间的差异热膨胀可能是关注点。在这种情况下，热传导性油脂可用在热传导性环氧树脂的位置中以在管60和挤出件61、61a之间形成热接触，同时仍然允许这些部分相对彼此滑动以便允许差异膨胀发生而不引起伤害。

可以替代地使用不同于挤出件61、61a的传导性结构或板，只要承载热传递流体的管或导管可以机械且热联接到它们，并且它们与反射镜的后部的充足部分形成良好的热接触，以实现从反射镜表面清除冰和雪的希望的功能。另一替代方案将是把反射镜设计成具有流体通道，通过该流体通道，热传递流体可以循环。例如，这些通道可以在反射镜内部，或者可能通过铜焊等直接联接到反射镜的后部，只要不存在通道或导管与反射镜的材料之间的热失配产生的问题。

图4A是取自使用辐射到反射镜的后表面上的辐射催化加热器加热反射镜的较早(现有技术)尝试的雪融化性能的照片的草图。虽然这个尝试的雪融化能力远远超过基于电的系统的不足的能力，但清楚的是，该系统几乎无用，这是由于热不是充分地分配在反射镜上，而是仅仅集中在中央区域中。

图4B是取自记载管使用热传导性环氧树脂直接粘接到反射镜的后部的创造性加热设备的早期形式的照片的草图。清楚的是，热被更有效且更均匀地分配，并且该系统勉强足以用于希望的应用。然而，由于通过借助热环氧树脂而使管直接粘接到反射镜而获得的循环管和反射镜之间的差的且不均匀的热接触，不均匀的热在这个图像中仍然可见。

图4C示出图1-3示出的创造性加热器系统的实施例的测试。显然的是，在这种情况下，热分配明显更均匀且高效。仍然清楚的是，管60应当尽可能靠近地延伸到挤出件61的端部，并且挤出件61又应当像实际那样靠近地延伸到反射镜40的周边。另外，清楚的是，图4D中的管60d加热反射镜40的右侧比管60a加热反射镜40的左侧更慢。我们推理认为，这是由于管60d和60a之间的不相等的流体流动。通过将入口和出口再布置到为管60服务的入口歧管103和出口歧管105，使得入口和出口如图4D中所示在歧管的相对端部上，流动将大体上被更好地平衡，并且在反射镜的表面上大体上更均匀地加热。

图5是声雷达设备的等距视图，以图像形式示出加热器系统的部件，对于各种部件编号与图2中相同，并且参考图2的上文可用作参考图5。

图6示出替代实施例，其中用来从加热器系统传递热的工作流体是空气而不是液体，其中加热器70是设计成加热空气的类型的，并且其中泵被自然对流或被电驱动的鼓风机300取代，该鼓风机通过管子303将从加热器70供应的已加热的空气吹到安装在反射镜40后面的通风室402中。管子305使空气返回到加热器70。这种替代实施例的优点在于，构造空气循环通道可能比构造用于液体工作流体的防漏管道系统显著容易。然而，空气将具有较差的热传递性质，并且空气鼓风机(如果需要)比液体循环泵更可能引起可干扰声雷达系统的操作的噪音。尽管如此，可能存在基于空气的系统是优选的应用。

在图7中，热管400用于包含用于热传递的混合相工作流体，该混合相工作流体以蒸汽形式将热从加热器区域分配到反射镜40的末端，并且作为冷凝物返回到被再加热的加热器区域。(在这个图中也示出反射镜结构支架401)。在这种情况下，加热器70可以是辐射加热器，它直接加热反射镜40的一部分，并且也供应以辐射形式的热到热管400。替代地，加热器70可以特别地设计成直接加热热管。对应于使热管对于飞行器和膝上型计算机热管理系统来说合意的简单性和可靠性，这些替代实施例具有简单性和可靠性的巨大潜在优点。在另一方面，热管系统给出设计挑战，在从优选实施例的循环液体系统的测试得到系统要求的经验之后，可以更容易地满足该设计挑战。

图8示出使用气相流体作为热传递介质的替代实施例，该替代实施例类似于图6中示出的系统，但在这种情况下，加热器70直接排入安装在反射镜40后面的通风室402。通风室配备有出口410和入口420以便允许足够的燃烧副产物逃逸，并且足够的新鲜空气进入以支持燃烧。因此，热传递流体是由加热器70加热的空气和来自加热器的废气的混合物。这种替代实施例可能在简单性和效率方面具有优点。

图9示出替代实施例，其中循环管60由液体封套500代替，该液体封套允许液体热传递流体50将热直接传导到反射镜40的大体上所有后表面。这个替代实施例的优点在于，以减小的量的保证充分的热分配所必需的昂贵铝挤出件，均匀地分配热。在另一方面，封套500的制造给出的结构困难在于，系统必须是无泄露的，并且由于工作流体的静液压力作用在其上的相对大的面积，室的下端部处的静液压力是显著的。

图10A、10B和10C示意性地描绘提出的加热系统的另外替代实施例。在图10A中，太阳能热面板600放置在液体循环系统中，例如在泵80和加热器70之间。螺线管操作的阀99也被包括使得控制系统可以在阴天状态下绕过太阳能热面板600，在阴天状态期间，该面板可充当热损耗而不是热源。可以使用太阳能面板中的温度传感器确定阴天，以检测面板是否比它意图加热的流体冷。在用来供应该单元的替换燃料的通路是困难的一些应用中，太阳能面板的使用可具有显著的优点。虽然当降水实际上正在落下时太阳能加热面板通常将不操作，但在降水事件之后留在反射镜上的冰或雪需要融化的情况下它可显著减小燃料需求。在储罐76中的气体供应被耗尽的极端情况下，太阳能面板可允许声雷达设备比没有太阳能加热的情况快得多地最终返回到正常操作，在后者情况中，如果天气状况禁止保修人员访问设备以更换燃料供应或从反射镜手动移除降水，太阳能可以维持不操作数周或数月。在这个实施例中，太阳能面板的顶部的高度可能高于储液器95和填充配件96的合适的永久安装部位。在这种情况下，工作流体50可能被虹吸出太阳能面板600，并且从出口溢出。由于这个原因，可能优选的是，添加密封的膨胀室93以允许工作流体50的膨胀和收缩。在这种情况下，储液器95可以是可移除的服务设备，该可移除的服务设备暂时安装在太阳能面板的顶部的上方的合适高度并且配备有合适的阀以允许填充空气和将空气放出该系统，而不是作为加热器系统的内置部分。

图10B示出另外的替代实施例，其中加热器70被太阳能面板600完全替换。在调整要求或补给燃料的难以达到使燃料燃烧加热系统不可接受的情况下，这个替代实施例可能是有用的。而且，在这个实施例中，可以添加膨胀室93并且储液器95可以是可移除的服务设备。

图10C示出另外的替代实施例，其中加热器70和可能的泵80被消除，并且热和可能的循环原动力由用于向声雷达设备提供动力的基于内燃机的发电系统610提供到工作流体。在以下待决的申请中示出且描述的声雷达设备中，这种替代实施例将没有什么用处：2007年11月5日提交的No.11/934915，2008年5月9日提交的No.12/117994，2008年5月22日提交的No.12/125166，2008年5月30日提交的No.12/130106，和2008年5月30日提交的No.12/129806(所有这些申请通过引用并入这里)，这是由于这个设备以充分的电效率操作使得具有电池存储器的太阳能光电面板可以可靠地为该系统提供动力。依靠基于发动机的发电机的效率较低的声雷达设备可能明显受益于图10C中示出的替代实施例。

由于其它构造可实现在此描述的本发明，因此在此描述的特别的构造、材料和尺寸不是本发明的限制。

除非在此以其它方式指示，在此的值的列举范围仅仅意图用作单独引用落在该范围内的每一个分离的值的速记方法，并且每一个分离的值被并入说明书如同它在此被单独列举。

这里提供的任何和所有例子或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅仅意图更好地说明本发明并且不对本发明的范围施加限制。

根据这里提供的公开内容，对这里描述的实施例的多种修改对于本领域技术人员来说将是显然的。因此，本发明可以以其它具体形式被实施而不偏离本发明的精神或本质属性。

虽然本发明的具体特征在一些图中被示出并且在其它图中没有被示出，但这仅仅是为了方便，这是由于特征可以根据本发明以其它方式被组合。

Claims (4)

1.一种用来加热相控阵列单静态声雷达设备的声反射反射镜表面的系统，所述系统包括：

位于与所述反射镜间隔开的位置的热源，其中所述热源包括由丙烷提供燃料的加热器，并且其中所述加热器催化地操作，以在没有明火的情况下氧化所述丙烷；

控制所述热源的操作的控制系统，其中所述控制系统包括用于感测降水的装置、环境温度传感器和感测所述反射镜的温度的反射镜温度传感器，其中在同时感测到降水和接近于或低于水的冻结点的环境温度或反射镜温度的情况下，所述控制系统打开所述热源，并且当所述反射镜温度达到高于冻结点的至少一定温度时，关闭所述热源；

液体防冻溶液工作流体，所述液体防冻溶液工作流体被所述热源加热并且用于将热从所述热源传递到所述反射镜；

递送系统，所述递送系统约束已加热的工作流体并且将所述已加热的工作流体从所述热源递送到所述反射镜，其中所述递送系统包括电驱动的循环泵，所述电驱动的循环泵使所述工作流体从所述加热器循环到所述反射镜并且返回，并且所述递送系统还包括一系列管，所述工作流体在所述一系列管中循环，其中所述管被布置为与所述反射镜大体平行并且联接到所述反射镜的方式使得实现高效率地且相对均匀地将热从所述管传递到所述反射镜的有效热连接；

流体入口歧管，所述流体入口歧管位于所述泵的出口和所述管的入口之间，其中，已加热的工作流体在进入所述管之前流过所述入口歧管；

流体出口歧管，所述流体出口歧管位于所述管的出口和所述泵的入口之间，其中，离开所述管的工作流体在返回所述泵之前被收集；

一系列传导性结构，每个所述管联接到所述一系列传导性结构上，对每个管都设有一个该传导性结构，所述传导性结构具有接收部，所述接收部的尺寸和形状设计成在所述管的周边的大部分上与所述管的外表面相符合，并且具有联接到所述反射镜的后表面的基本上平的表面，以实现所述管和所述反射镜之间的有效热连接，所述传导性结构具有这样的横截面轮廓，其使得该传导性结构在所述管附近较厚而在远离所述管处变薄，并且所述传导性结构在每个端部具有加强凸缘，所述加强凸缘用于加强所述反射镜；和

热传导性环氧树脂粘合剂，所述热传导性环氧树脂粘合剂用于对所述传导性结构和所述反射镜之间的热传递形成低阻连接，并且也用于对所述管和所述传导性结构之间的热传递形成低阻连接；

其中所述管、所述传导性结构和所述反射镜全部由相同的金属制成。

2.权利要求1所述的系统，其中所述热源还包括太阳能加热面板，所述工作流体也能够循环通过所述太阳能加热面板，以为所述工作流体提供补充的太阳能热。

3.权利要求1所述的系统，其中所述热源包括具有液体冷却系统的内燃机，并且所述工作流体是与所述内燃机的冷却系统共享的液体。

4.权利要求1所述的系统，其中所述声雷达设备具有用于从所述声雷达设备排出降水液体的排出孔开口，并且所述递送系统还构造且布置成使已加热的工作流体循环通过所述排出孔的部位。

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