专利名称：声波探空的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及用声学脉冲来进行大气探空或探测的技术。本发明尤其可用于测量低层大气中逆温层(TILs)以及的其它突变层(discontinuity)的高度和特性。逆温层能影响无线电发射以及污染物的传播和/或扩散，而在机场附近的、诸如风切变和晴空湍流等其它突变层则会影响飞行器的安全。
本发明的另一个技术应用领域是探测建筑物或建设环境的声学特性。
在本文中，“sound”(声探)这一词将被用作动词，用于表达用声学方法进行探测或勘探，而“sounding”(探空)则被用作一个名词，用于表示声学探测或勘探的结果。如果必须要用“sound”这一词来表示听觉感受或造成该听觉感受的振动，或者是用来表达实际上所用含义那样即产生能造成听觉的振动(也就是说“发声”)，则就会对这个词汇“sound”作适当的限定，以使该表意能是清楚的。
现在已知的是通过以很大的仰角向上发送一个高能单音声波脉冲，并通过分析声波在大气中发射和/或折射后接收信号的延时和多普勒频移，就可测量出TIL的高度以及在该TIL上方的风速。这种类型的探空系统公开在1997年10月期的《澳大利亚工程师》刊物中，并被用来预测烟囟排烟流的扩散状况。在这样的系统中，一高能单音声波脉冲以垂直的角度向上发送，并用一布置在几百米之外的高灵敏接收器检测该声波的传播时间和多普勒频移。为了能在接收器中获得足够高的信噪比(S/N)，声波脉冲用一个大型的喇叭辐射体(即发射天线)发射出去的，发射功率为几百瓦。由于发射出的脉冲在大气中的衰减很快，所以在接收器一侧也要采用一个类似的大型喇叭辐射体。必须要把笨重的发射器和接收器挪来挪去，才能获得各个方位角上的测量结果，从而弄清在所关心气流层中的风速和方向。很显然，由于在建筑区内存在很大的噪声，所以这样的系统不适于用在建筑区内。
现有技术中还公知这样的方案通过利用位于舞台(或音乐厅中其它选定方位)处的扬声器发送一个声学测试信号、并通过在音乐厅的其它多个方位处(通常是在观众席处)接收信号，并通过对接收信号进行分析来确定出各个主反射信号、以及这些反射信号对多径失真和混响时间的影响，以此来声探或探测音乐厅的声学特性。由于所接收到信号的性质高度复杂，所以必须要由专业人员对接收到混合信号执行高成本、复杂的计算机分析。
可通过从计算机的声卡(例如)向扬声器发送一个输入电信号来产生声波发射调频脉冲，而回声脉冲则可用一个麦克风来接收，该麦克风能产生一个电回波信号。尽管可采用合适的反射抛物面来提高扬声器和麦克风的效率，但与现有技术中单音脉冲所需的功率相比，本发明脉冲所需的声功率是微乎其微的。
但是，可以理解由于在音程范围内通常会有许多个大气突变层或TILS，所以同一发射脉冲会产生多个回波脉冲。尽管可通过采用现有混频电路的模拟系统来进行对比，但这样的系统不能在所要求的场合中实现所需要的辨别功能。因而，最好是用DSP(数字信号处理器)技术在傅氏域中对输入信号和回波信号进行比较，对傅氏变换后的数字信号执行复数乘法运算而得出一个复数和及一个复数差，通常是选用这二者中的差值信号。对结果进行反傅氏变换而产生一个幅值一时间的序列信号，在该序列中，幅值坐标即为相差分量(该分量代表了TIL突变层的离散度)，而时间坐标则代表了各个TIL突变层与发射器及接收器之间的距离。
一般来讲，调频脉冲的音频频段(即声学带宽)应当与所要探测的目标相适配。下层大气的TIL最好是用听觉频段的下限值进行探测，例如是在500Hz到5000Hz之间，更为理想的是在800Hz到3000Hz之间，最为优选的是在1000Hz到2500Hz之间。在另一方面，用于对音乐厅进行声探的脉冲一般具有较宽的音频频段，或者是用多个顺序的较窄音频频段依次地进行声探。
可以用多种方式来分布脉冲的音调。最为一般的情况是，从脉冲的开始到结束，音调的频率是线性增大或减小的。在此情况下，最好是希望能实现从脉冲开始到脉冲结束有均匀一致的相移率。这样的线性调频脉冲更易于进行处理，尤其是对于采用模拟技术进行处理的情况。但是，也可以采用其它的音频序列。例如，频率的变化可以是按照余弦函数、阶跃函数、甚至是随机函数或伪随机函数进行变化的。对于处理这样复杂的脉冲，DSP和傅立叶变换技术实际上是必需的。
总地来讲，当采用DSP和傅立叶变换技术时，脉冲的时延越长，系统的电位处理增益就越高。但是，执行傅氏变换和傅氏域处理所需要的功率也是与脉冲的持续时间成正比例关系的。我们已经发现现有技术中目前所能获得的FFT(快速傅氏变换)算法、芯片以及DSP技术实际上都不能处理持续时间超过30秒的脉冲。新型的FFT芯片和技术似乎能处理持续时间超过一分钟的脉冲。
影响脉冲持续时间的另一方面考虑在于回波信号是否需要实时处理，还是可脱机处理。最简单的方法是实时地处理回波信号，并使得发射信号(和脉冲)具有足够的持续时间，以确保回波信号能在输入信号完成之间开始到达。以这样的方式，就可以在任何时刻得到发射信号音调与接收信号(由反射产生)音调之间的频率差，该频率差反应了造成反射(对于线性调频脉冲)的TIL的距离，且脉冲的持续时间决定了可对TILs(或其它目标物)进行检测的距离范围。
脱机执行—也就是说非实时地执行输入信号与回波信号的对比处理具有这样的优点可选择产生回波的距离范围。可将输入信号和/或回波信号记录下来(在对信号进行数字化和变换之前或之后)，然后以所需的时间偏差来将两信号共同回放，来进行对比。例如，如果信号处理能力将脉冲的持续时间限制在15秒上，则也就是说，对于实时检测，能可靠地检测的TIL最大高度在5000英尺左右，而如果在发射了声学脉冲之后，将输入信号延迟15秒，通过对延迟信号与在声学脉冲开始之后15到30秒内返回的回波信号进行对比，就可利用实时回波信号对在5000英尺到10000英尺之间的TIL进行检测。
尽管一般是希望在脉冲的整个持续时间内声学发射功率是恒定的，或者是对于脉冲的各个音调步长功率都是相同的，但功率也可以相对于音调发生变化，以抵消由于所探测的环境对信号具有频率选择性而产生的衰减。
如上所述，产生调频脉冲很方便的一种方法是为一PC机的声卡输入适当的软件(例如是MIDI指令)，从而就在这些指令的控制下产生理想的音调序列。如果要采用一线性调频脉冲，这样的技术能使得音调的增加步长可以非常小，从而能在从脉冲开始到结束的过程中产生连续相移的效果—或平滑的滑奏。可将输入信号以声音(波表)文件的形式存储在计算机中，并以任何合适的时间间隔重复地应用来产生脉冲，且如上述的那样，该输入信号在任何时刻都可被发送到一个混频器来与回波信号进行对比。当然，声学脉冲的发射频度应当使得不能出现同时接收到多个脉冲的回波的情况。如果需要的话，可将傅氏变换后的输入信号存储在PC机中，从而可在合适的时刻将其输送到比较器中，用于同变换后的回波信号进行混频。这样的技术能降低实时处理的负担。
可以理解必然会有一些信号脉冲是沿最短的传播路径从发射器直接传到接收器的，而还有一些脉冲是从地面目标物迂回反射回来的。那些“直接”传过来的脉冲在接收器处会恰好覆盖回波，使回波检测和处理的效果变劣。可通过将发射器与接收器进行声学隔离来衰减掉直传脉冲，但这通常是很困难的或者是不方便的。也可以用现有的DSP技术从回波脉冲中除去直传脉冲，如果对于最关心的回波而言，直传脉冲与回波脉冲的覆盖程度并不严重，则在傅氏域或频域中进行处理能有效地去除掉或减弱大部分直传脉冲。如果直传脉冲没有被去除掉，则合成的幅值—时间结果就会显示出早期高幅值的回波，在大多数情况下，这样的回波是容易被忽略掉的。
本发明的技术非常有助于识别出TIL和风槽，TIL的行为表现为折射率渐变的折射体，风槽则对微波信号进行弯折、反射或波导。在给定的地点和季节这些TIL和风槽趋于在离地几百米高的地方形成一般可预计的型式。由于这些TIL趋于成为波状的，所以它们的特性对于微波链路的选址和设计优化是致关重要的。在电信微波射束路径上方形成的脉动反射性TIL(具有短期局部垂直速度的气流层)会在微波接收器处产生快速波动的多径信号，造成信号衰减和数据丢失。采用本发明的技术，TIL的波动就表现为相位抖动。在短期垂直气流运动占主导的条件下(例如在有大气湍流影响的条件下)，相位抖动是声探的主要目标。
因而，用本发明的技术和装置对低层大气进行声探能实现对风切变和CAT(晴空湍流)的识别和定量化。在这样的应用环境中，风切变表明风的方向或速度在相对较小的高度范围内有较大的突然改变。这样的突然变动最为常见的是发生在TIL处，且对于被夹在上层TIL和下层TIL之间的风层而言，这样的现象是十分常见的其中的各个特性指标—如风速、速度、方向、温度、水气含量等与该TIL上方和下方中气体的对应指标有显著的不同。如果风切变很严重，并位于跑道附近，则其对于飞行器是很大的问题。尽管CAT可被看作是风切变的一种特殊形式，但该术语一般是被用来指代局部的非分层湍流。据报道，这样的湍流会出现在着陆时或起飞后大型喷气客机的尾流中。这种属性的CAT被认为是造成尾随大型客机起降的轻型飞机坠毁的原因。因为有证据表明CAT是由空气密度和/或温度以及速度在局部区域内的变化造成的，所以CAT将能折射和反射声学脉冲波束，因而用本发明的方法和设备是可对其进行识别并定量分析的。
采用沿跑道成列布置、或横穿跑道的调频型声学探测器，使调频脉冲被射向低高度，从而就可识别出在跑道附近的风切变和CAT。最好是，在每个方向上采用镜像排列的发射器和接收器，从而脉冲可主要在一个方向上进行发射，其次在另一方向上发射。可通过测量发射时与接收到折射或反射脉冲时之间的时间差来估算出风切变或CAT的高度，同时通过对比“上行”和“下行”脉冲的差值时间漂移可估算出在相关气体在脉冲束传播方向上的速度。时间延迟分量的测量使得可用上述的技术来获得两个差值对比，而产生出关于音程范围内任何所需高度上风速或湍流的高精度测量结果。一般来讲，以这样的方式执行的脉冲传播时间测量比基于多普勒效应的测量更为精确。
如上所述，线性调频声学脉冲技术在测定音乐厅声学特性方面具有相当大的优势，尽管此情形下的脉冲持续时间一般要比用于大气探测的脉冲短，而带宽则较大。这样就能实现精确地测量位于给定位置处的脉冲发射器与某一给定接收器之间的主多通路径的长度，由此就可以计算出对于这些位置、听觉频段的多径干扰。这样的测量和计算为修正或优化现有音乐厅提供了很有价值的参考信息。
本发明的实施形式可体现为用于在空气中进行声学探测的设备、系统或者是方法。
下面将参照
图1和图2中的简图对本实施例声学探空系统1的原理进行介绍。假定在系统1上方的大气层中，由一对TIL2a和2b围成了一风槽D，这两个TIL都表示为脉动形式的。如果这样的TIL和风槽在1000米左右的高度上是常见或稳定的，则就会对在各中继塔(图中未示出)之间发射的微波信号造成严重的多径衰落。
系统1包括(i)一个发射器3，其是一个朝向正上方的扬声器；(ii)一个接收器4，其是由也朝向正上方的一麦克风和一发射抛物罩组成的，接收器4与发射器3位于同一地点，但相距几米远；(iii)一输入信号发生器5；以及(vi)一电子混频器或比较器电路6。输入信号发生器5产生电子输入信号(调频脉冲)，该信号被输送给发射器3和混频器6。这些输入信号使得发射器3发出声学脉冲，并由接收器4接收到回波信号。在图中用实线7a表示发射器3所产生脉冲被下层TIL2a反射后的传播路径，而被上层TIL反射的脉冲传播路径则用虚线7b表示。接收器4接收到的声学回波被转换为电子回波信号而输送给混频器6。图中所示的混频器6具有两路输出，分别用标号8和9指代。输出8代表回波的振幅，而输出9则代表回波的相移，这两路输出都是一时间序列，该时间序列代表了由越来越高的TIL反射回来的回波。相移信号代表了在回波所在高度上、大气突变层—或湍流层的垂直速度。
图2是一组图线，以简化的方式表示了对发射器3发射的脉冲T、从TIL2a反射回的第一回波脉冲Ra、以及从TIL2b反射回的第二回波脉冲Rb进行处理的方式，对这些信号进行处理可产生一个输出信号，该信号代表TIL层的高度。假定脉冲T的持续时间为15秒，并从1.4kHz到2.4kHz的听觉频段内线性地增加。两脉冲之间的重复间隔不应小于15秒。接收到的回波脉冲Ra和Rb在图中表示为好像未在大气中传输和反射过程中被衰减，而实际上，脉冲在传播过程中会有很大的衰减，并带有很大的噪音干扰信号。但是，本领域普通技术人员可以领会到发射脉冲和接收脉冲的幅值可自动进行调整或“被正则化”，从而可进行比较。
对脉冲进行处理以推导出距离信息的简单方法是(i)按照一共用时钟执行每次采样；(ii)检测所接收到的音调；以及(iii)在每次采样周期内，将检测到的音调(一个或多个)从发射脉冲的音调中减去。这样的工作可以是在发射脉冲的整个持续时间内都进行，也可以只是在部分发射脉冲的持续时间内进行，其中的这部分发射脉冲对应于具体感兴趣的高度范围。这样，随时从发射脉冲T的音调中减去接收脉冲Ra的检出音调将会产生一个信号T-Ra，该信号的形式表示在图线(c)中，图中的短划线表示了脉冲Ra中通常要被混频器6忽略或丢弃的部分，这是因为此部分信号是在发射信号T结束之后出现的。从图(c)可看出，在0-4秒内只有输入脉冲T的音调被接收到(从信号发射器5直接传来的)，但是从4-15秒内，检测到脉冲Ra的音调是升高的，从脉冲T的音调中减去该检测到的音调就能产生一个恒定的音调差Fa(图中阴影部分)，该音调差就代表了TIL2a的高度，并体现为线路8上的输出信号。
在第11秒之后，脉冲Rb的音调开始被检测到了。由于这些低频音调的发生时刻靠近回波脉冲Ra的开始时刻，所以在脉冲T的结束时刻很容易将这些低频音调与高频音调区别开来。这样，就可以利用混频器6从脉冲T的音调中将Rb中的检出音调减去而可以产生一个音差Fb，该音差信号从11秒延续到15秒，在图(e)中用阴影区表示。Fb当然代表了TIL2b的高度，并表现为线路8中、在信号Fa出现一段时间后出现的输出信号。信号Fa和Fb的幅值(在图2中没有表示出)代表了TIL2a和2b的反射率，而它们出现的时间则代表TIL的高度。图线(e)中的短划线部分代表了如果只接收到了脉冲Rb、且如果混频器6将整个脉冲T和Rb都考虑进去时处理所得信号T-Rb的形式。实际上，对于混频器6来讲这样的操作是很正常的在接收器4没有接收到任何音调时将脉冲T的所有音调都忽略掉；或者是在脉冲T发射之前和发射结束之后将接收器4接收到的所有音调都忽略掉。
从图2中的图线(a)、(b)和(c)可以看出，有11秒的时间来对Ra的音调进行处理，而产生一个在线路8上的信号Fa，但是只有4秒的时间能对Rb的音调进行检测、处理而产生输出信号Fb。如果每隔20秒脉冲发射一次，则这三组测量可每分钟执行一次，这样可加大信号Fb的完整性，从而可提高其精确度。如果需要TIL2b高度的测量能更为精确，则可用7秒的延迟间隔再次产生输入信号或脉冲T，然后再与接收到的脉冲Rb进行比较而形成一个11秒的重叠区；在计算TIL2b的高度时，要考虑到曾加上了7秒的延迟。
采用15秒脉冲的声探器1的探测范围可以基于这样的条件算出为了简便，将声音在空气中的传播速度近似设为1000英尺/秒，且所感兴趣的回波必须在发射脉冲的第4秒到第11秒之间返回才能进行有效的分析。这样就可以算出所涵盖的高度范围在2000英尺到5500英尺之间。本领域普通技术人员可以理解如果输入信号和回波信号的采样率很高(也就是说为44.1kHz)，且每次采样信号要经过一个A/D(模/数)转换器而被数字化，且对数字化后的输入信号和回波信号执行傅立叶变换，则对这些信号的混合或对比就可在傅氏域中进行，这样就导致在对2000英尺以下的高度进行测量时能获得了很高的处理增益和很精确的测量结果。
下面参见图3和图4对一个实施例进行描述，该装置用傅立叶变换技术对发射脉冲和接收脉冲进行比较。可用一台PC(个人计算机)运行产生调频脉冲的软件，该软件能产生在1.4kHz到2.4kHz频段内线性扫描的、带宽为1kHz的余弦模拟调频信号，从而该信号的相位在15秒的时间内是线性增加的，其中的15秒对于本实施例即为脉冲的持续时间。该模拟信号从PC机的声卡24输出到一个音频功率放大器26，该放大器推动扬声器14发音，同时该信号还被采样器单元28以约为44.1kHz的频率进行采样。每次采样都被转换为一个数字代码，该代码代表了采样信号的相位和幅值。如果需要的话，该输出模拟调频信号和/或采样器28的数字输出被纪录在纪录器30中，但本领域普通技术人员可以理解可通过将模拟和/或数字信号以计算机可读文件的形式保存到RAM或磁盘中来方便地实现该纪录操作。
由麦克风20检测到的返回模拟信号在一个前置放大器32中进行放大，并用一个采样器34进行采样和数字化(最好是对相位和幅值进行处理)，其中，如采样器单元28对输出脉冲进行处理那样，上述的处理最好是以相同的采样率(44.1kHz)、并用相同的A-D编码(例如为16位A/D转换)进行的。用单元34对接收信号的采样最好是在开始发射脉冲时、或者是经过预定的一段延迟后启动的。图中的虚线36表示了这样的同步关系—尽管可以理解用于指示脉冲发射开始的同步信号可以是由PC机产生而不是利用采样单元28中的检测器装置(图中未示出)来产生的，该信号用于标记脉冲的开始。如发射信号那样，接收信号也可被纪录器38纪录下来，其中的纪录形式为从前置放大器32输出的模拟信号或从采样器34输出的数字化采样信号。同样，也可以在PC机内用RAM或磁盘存储介质来进行纪录。事实上，系统的大多数功能都可以用PC机来完成。
在该实施例中，对发射脉冲和接收脉冲的比较或相关运算是在傅氏域中进行的，这是通过用本领域公知类型的一个乘法器40将每对采样信号的傅立叶变换值进行相乘来进行的。在本示例中，对外发脉冲的连续采样进行傅立叶变换的工作是由一傅立叶变换器42完成的，其采用了FFT算法，而对接收信号的连续采样进行变换的工作是通过变换器44以类似的方式完成的。可以理解FFT装置42、44可以是软件也可以是硬件设备，且都可以在市场上购得。硬件设备的速度通常要远快于软件装置，因而如果要实时地进行转换(如图中的箭头46和48所示)，则最好是使用硬件设备。但是，也可以用PC机中的软件来执行FFT算法，且在成本上这样的方案是优选的，但这样就需要脱机进行傅立叶变换。图中的虚线箭头50、52箭头表示了纪录后的数据从纪录器30、38分别经采样器28、40输入到FFT装置42、44中。
如上所述，复数乘法器40通常将产生一个实部结果和一个虚部结果，但只需要其中的一个结果。如果需要的话，乘法器40的该选定输出可被显示在CRT显示器或其它适当的显示设备上，显示为傅氏域中随时间或采样数的关系，用来指示所检测到的TIL。但是，这样的傅氏图线不容易被非专业人员理解，所以一般最好是通过一个反FFT装置54对乘法器40输出的各个复数积执行一个反傅氏变换，而产生时域内一个幅值成比例的电压信号，该信号可被输送(通过图3中所示的线路55)到一个显示装置56(一般为PC机的屏幕)，并表示为Y轴上的柱状图或垂直条。显示屏56的X轴代表时间或采样数，该时轴可从计算机直接导出(通过线路58)、或者是从线路60和一自相关器62的输出脉冲信号导出、或者是利用从线路36引出的线路64上的同步信号来导出。
还可以理解接收器20会接收到高幅值的直传脉冲信号(图3中用虚线66表示)，且在一发射之后几乎立即就能被接收到，由于发射器16和接收器20之间的距离仅为几米之遥。可利用装置62、模拟装置68、或数字装置70中的自相关技术和其它技术来除去该直传信号，从而增强从TIL(例如为TIL18)接收到的低幅值信号的重叠性，其中的模拟装置68连接在发射器和接收器之间，但连接在采样器28、34的连接区段之前，数字装置70也连接在发射器和接收器之间，但连接在采样器28、34的连接区段之后。但是，如上所述那样，由于将发射信号和接收信号在傅氏域中进行对比能在很大的程度上完成去除直传信号的任务，所以将直传信号从接收到的信号中去除通常既不是必须的，也不是非常有利的。但是，在开始接收直传信号和开始接收非直传信号的时间差之间，由于存在直传发射脉冲，所以将会有很大的净合成信号。只要采样及数字化处理能应付该大幅值的信号，就不会在信号之间出现有害干扰。优选的情况是采样率至少为30kHz，且数字化的位数为32位，但这对本发明的目的都不是必需的。
图4是一个流程图，表示了按照时间顺序排列的上述各个处理动作，该流程图对于本领域普通技术人员来讲是很显然的。执行路线80和82表示了实时分析选项，在这样的选项中，采样步骤28′和34′的结果被直接输入到对应的FFT变换步骤42′和44′中。图中的间断处86、88表示在采样步骤28′和34′与执行FFT转换步骤42′和44′之间可变的时间间隔。该时间间隔是这样设定的首先在记录步骤30′、38′中对采样出的发射信号和接收信号进行记录，然后在一段时间(如图中的86和88所示)之后，在步骤90和92中将声音文件读取出来，并分别在步骤42′和44′中执行FFT。可如上述那样作为可选方案—但在任何意义上都不是必须的可在步骤68′中将传播路径66(见图3)上传播的直传信号从接收到的模拟信号中去除掉；和/或在步骤70′中将直传信号从采样出的数字信号中去除掉。这样的操作可以利用自相关方法来执行；或是在不存在TIL反射波的情况时、或者是当该反射波的接收时间超过路径66上直传信号的持续时间时通过简单地进行系统标定来实现直传信号的去除。已经发现以这样的方式将直传信号去除很少能带来显著的优点，这是因为该系统的处理增益非常高的缘故。
上述示例中的采样率和脉冲持续时间能使得处理增益高达55dB左右，使得测量精度能达到约每500米误差一米。可以理解这样的测量精度已远高于现有技术中用简单的定时方法进行测量能达到的精度。
图5是一个标准图，表示了由怀俄明大学用无线电探空仪在2001年2月28日上午、在墨尔本机场上收集到的数据，这些数据被公布在互联网上。该图表表示了温度Te和湿度M随高度的变化关系。从图中可以看出，在约1013米到1200米之间出现了一个很大的温度突变，而在1491米处出现了一个很小的逆温，并在约3000米处出现了一个很大的逆温。图6是一个关于图3中36处数据的真实图形，表示了于2月28日下午、在Mulgrave(距离墨尔本机场40公里的一个郊区)处测得的有关反射幅值与海拔高度之间的关系。从图可看出，为了能预报TIL的位置和它们的相对反射强度，图6所提供的信息比图5更为详尽。尽管在1200米高度的大突变仍然是主导性的，但1400米到3000之间、在图5表示为一个简单逆温的现象在图6中展现为更为复杂的架构，图中表示出在1950米到2700米之间可能存在一个风槽。尽管图6中的许多细致信息对微波链路的设计没有影响，但气象学者对这些信息是非常感兴趣的，气象学者关心烟流和污染物的扩散，大气研究人员一般也对这些信息感兴趣。
图7中图谱表示了于2001年2月28日进行反复探测所得到的结果，该探测利用了图3和图4所示的系统以15秒长的脉冲在40分钟的采样周期内进行的。图谱A表示了幅值随高度的变化关系，图谱P表示了相位随高度的变化关系。回波信号被随意地截定为其传播时间对应于高度为900米的反射位置。这些图谱是彩色图谱的黑白复制图，由于是黑白的，所以丢失了很多细节信息。在彩色版中，图柱R是一个参考色谱，在该色谱中，蓝色位于底部，红色位于顶部，而黄色和绿色则位于中间。在图谱A中，250米以下(边界层)的大部分区域是蓝色的，即表示为低的回波幅值(也就是说，几乎没有显著的热突变)。图谱Ar表示了图谱A中的红色分量和近红分量，这表示出了在约550米到800米之间存在一个高反射性层(大的热突变性)。在图谱P中，位于边界层下方的大部分区域是蓝色的，这表示了此处的相移很小，因而，也就是说风的垂直速度很小。图谱Pr表示了图谱P中的红色分量和近红分量，从图可看出，在边界层的上方出现了显著的湍流。同样，除了那些想为微波链路中的多径衰落定出位置的技术人员之外，其它的研究人员对这些图谱也是感兴趣的。
本发明的方法可用来指明上层风流的方向和速度、在各个高度上的风切变和/或在机场跑道起点附近的失能区(flair-out zone)中的CAT。下面将参照图8到图10对这样的应用进行描述。
在本示例中，在跑道100的端头处设置了两对调频脉冲发射器和接收器，它们分别标记为A和B，发射器和接收器被分开约一到两公里，并被设置成使发射路径与跑道100对齐，且这两对发射器—接收器被设置成使发射器A发出的脉冲信号在远离跑道100的方向上传播，而发射器B发出的信号在朝向跑道100的方向上传播。在距离跑道100的一定距离处设置了第二个发射器—接收器对，它们用标号C和D指代，它们被设置成信号是以相反的方向横穿过发射器A和B的信号。脉冲的传播方向在图中用虚线表示。图9是对图8中的设置关系所作的示意性立视图，表示出了一个形成在下层TIL104与上层TIL106之间的一个风槽层102。尽管在图中风槽102中的风向(风切变)被表示为箭头108，但可以理解该风向并不是与跑道100的方向成一线，而是与其有一定角度。
可以理解被下层TIL104反射回的发射器A声学信号中的一部分并没有受到风槽102中风切变的影响，但是被上层TIL106反射回的那部分信号则被风切变推进或延迟。具体来讲，发射器A发出的信号将被风108推进或加速，而发射器B发出的信号则会被风108延迟。图10表示了用上述方式对路径A和B进行推导所得到的结果。峰值110a和110b是直传信号的峰值，峰值112a和112b是那些由下层TIL104反射回的信号的峰值。峰值110a和110b离对应图线的原点具有相同的距离，而代表TIL104下方无风高度上的峰值112a和112b距离原点的距离也相同。但是，峰值114a和114b则是在距离对应原点不同的距离上，这是因为沿路径A传播的信号被风108加速，而沿路径B传播的脉冲则被阻滞。图中被表示为σ的差值代表了沿跑道下行的风速。[如果峰值114b比峰值114a更靠近原点，则指明了在风槽102中存在沿跑道上行的风]。由路径C和D上传播的横信号推导出的一对类似的测量结果则指明了风槽102中风速在横过跑道方向上的分量。将这两个结果合并起来，就可得到风槽102中风的强度和方位。
一般来讲，轻型飞行器只关心低层(300米以下)的风槽和CAT。如果发射器—接收器对之间的间隔距离至少为2公里，它们之间的夹角可小于或接近布鲁斯特角(偏振角)，在这样的设置条件下可预测到很强的反射。也就是说，结合通过本文公开的调频脉冲技术所实现的大处理增益，就可以在接近机场跑道的位置处实现对风切变和CAT精确而即时的测量，而不会对着陆中的飞行器造成物理或电子干扰。
在雷暴或雹暴等稍微少见的情形中，会发生这样的垂直风切变与更多的扩散上升气流相关有很强烈的下降气流。在跑道失能区附近出现的下降气流会对进行起降的小型飞行器—甚至是大型重载飞行器造成灾难性的后果。所以希望能测量出这样的垂直风切变。完成这一测量的很方便的方法是对路径B上的接收器进行设置，使得其可接收和处理从发射器A发出的、由垂直风切变造成的任何反射信号。类似地，路径D的接收器也可收听路径C的发射器发出的任何反射信号。这种可能性在图8中用点划线所表示的信号路径代表，并分别标记为150和152。还可以考虑这样的可能性路径A的接收器还可接收从路径B发射器发出的反射信号，且路径C的接收器可收听路径D的反射信号，为了简明起见，这两条信号路径在图中没有表示出。
尽管上文对本发明的一些应用示例进行了描述，但可以理解本发明的方法在声学探测领域具有非常广泛的应用，且在不超出上文概述的本发明范围的前提下，可以有多种形式的改动和补充。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1.一种用于在低层大气中确定温度和/或速度突变层的方法，其包括步骤·产生一个输入信号，该信号包括一个调频脉冲，此调频脉冲包括一由不同音调组成的序列；·用所述输入信号驱动一声学发射器，以向大气层中发射一声学调频脉冲；·接收并检测所述声学发射脉冲的声学回波，并产生一个回波信号，其包括所述音调序列中的至少一部分音调；·将输入信号中的音调序列与回波信号中发生时移的音调序列进行比较，并导出一个第一输出信号，该信号代表了发射脉冲时与检测到所述回波时之间的时延，所述时延还代表了大气层中一反射和/或折射突变层的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤·将输入信号中的音调与回波信号中的对应音调进行比较而导出一个第二输出信号，该信号代表了输入信号中一音调与回波信号中对应音调之间的相移，所述相移还可用来代表所述突变层在声学脉冲传播方向上的移动速度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于还包括步骤·将输入信号的音调与回波信号的音调进行混合而获得和值和/或混合后音调的差值频率，以此作为所述第一和/或第二输出信号。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于还包括步骤·对输入信号的音调进行傅立叶变换，而形成一个傅氏输入信号；·对回波信号的音调进行傅立叶变换，而形成一个傅氏回波信号；以及·对所述傅氏输入信号和傅氏回波信号进行组合而获得所述第一和/或第二输出信号，或者是获得这两个输出信号的前身信号。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于还包括步骤·以一定的时间间隔对输入信号进行采样，而产生输入信号的一
权利要求
1.一种大气探测方法，其包括步骤·产生一个输入信号，该信号包括一个调频脉冲，此调频脉冲包括一由不同音调组成的序列；·用所述输入信号驱动一声学发射器，以向大气层中发射一声学调频脉冲；·接收并检测所述声学发射脉冲的声学回波，并产生一个回波信号，其包括所述音调序列中的至少一部分音调；·将输入信号中的音调序列与回波信号中发生时移的音调序列进行比较，并导出一个第一输出信号，该信号代表了发射脉冲时与检测到所述回波时的时延，所述时延还代表了大气层中一反射和/或折射突变层的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤·将输入信号中的音调与回波信号中的对应音调进行比较而导出一个第二输出信号，该信号代表了输入信号中一音调与回波信号中对应音调之间的相移，所述相移还可用来代表所述突变层在声学脉冲传播方向上的移动速度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于还包括步骤·将输入信号的音调与回波信号的音调进行混合而获得和值和/或混合后音调的差值频率，以此作为所述第一和/或第二输出信号。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于还包括步骤·对输入信号的音调进行傅立叶变换，而形成一个傅氏输入信号；·对回波信号的音调进行傅立叶变换，而形成一个傅氏回波信号；以及·对所述傅氏输入信号和傅氏回波信号进行组合而获得所述第一和/或第二输出信号，或者是获得这两个输出信号的前身信号。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于还包括步骤·以一定的时间间隔对输入信号进行采样，而产生输入信号的一系列数字采样值；·以相同的时间间隔对回波信号进行采样，而产生回波信号的一系列数字采样值；·对输入信号的系列数字采样值作傅立叶变换而获得一个傅氏输入信号；·对回波信号的系列数字采样值作傅立叶变换而获得一个傅氏回波信号；以及·将所述傅氏输入信号与所述傅氏回波信号进行组合而获得一个傅氏输出信号，该信号代表了回波信号相对于输入信号的时移及相移。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于还包括步骤·对所述傅氏输出信号作反傅立叶变换，而得到一个时序幅值，该幅值代表了大气中被所述声学脉冲横穿的各个突变层的幅值。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于还包括步骤·对输入信号进行调制而产生一个声学脉冲，该脉冲中各个分音的频率是随时间的延续而均匀地增加或减小；·在发射声学脉冲的过程中，对于一系列时间间隔中的每一时间段，都将该时间段内输入信号的音调与同一时刻的回波信号的音调进行比较，从而获得所述输出信号。
8.根据权利要求1到6之一所述的方法，其特征在于还包括步骤·对输入信号进行调制而产生一个声学脉冲，该脉冲中各个分音的频率是随时间的延续而均匀地增加或减小；·存储或纪录输入信号·在开始发射声学脉冲之后一段设定的时间时，回放存储或纪录的输入信号，以作为一延迟的输入信号；·在回放所述延迟输入信号的过程中，对于一系列时间间隔中的每一时间段，都将该时间段内延迟输入信号的音调与同一时刻的回波信号的音调进行比较，从而获得所述输出信号。
9.根据权利要求1到6之一所述的方法，其特征在于还包括步骤·从一存储的输入信号产生声学脉冲；·纪录回波信号；·以设定的时间关系回放存储的输入信号和纪录的回波信号；·在回放所述存储纪录回波信号的过程中，对于一系列时间间隔中的每一时间段，将该时间段内存储的输入信号的音调与同一时刻回放回波信号的音调进行比较，从而获得所述输出信号。
10.一种用于进行大气探测的装置，其包括·产生一个输入信号的装置，该信号包括一个调频脉冲，此调频脉冲包括一个由不同音调组成的序列；·一声学发射器，其与所述信号发生装置相连接，其在接收到所述输入信号的情况下向大气层中发射一声学调频脉冲；·接收并检测声学回波的装置，该声学回波是由所述发射器发射到大气层中的声学脉冲引发的，所述接收装置适于产生一个回波信号，该信号包括所述音调序列中的至少一部分音调；以及·与所述信号发生装置和所述接收装置连接的比较器装置，用于接收所述输入信号和所述回波信号，所述比较器装置适于在接收信号的同时将所述输入信号中的音调序列与所述回波信号中的音调序列进行比较，而导出一个第一输出信号，该信号代表了两信号音调序列之间的频率差。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于所述比较器装置适于将回波信号中的音调与输入信号中的对应音调进行比较而导出一个第二输出信号，该信号代表了所比较音调之间的相位差。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于所述比较器包括一个混频器，其被连接来接收输入信号和回波信号，所述混频器适于产生所述第一和/或第二输出信号。
13.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于·设置了一个第一傅立叶变换装置，用于对输入信号执行傅立叶变换，而形成一个傅氏变换后输入信号；·设置了一个第二傅立叶变换装置，用于对回波信号执行傅立叶变换，而形成一个傅氏变换后的回波信号；以及·所述比较器包括一个复数乘法器，其适于对所述傅氏变换输入信号和傅氏变换回波信号进行相乘而产生一个复数输出值，从该复数值导出所述第一和/或第二输出信号。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于连接一反傅立叶变换装置，用于接收所述复数输出而产生所述第一和/或第二输出信号。
全文摘要
本发明公开了一种采用声学调频脉冲的大气探测方法及装置，发射出的脉冲与回波脉冲在一个混频器中进行比较而得到一个频率和及频率差。混合运算最好是在傅氏域中以复数相乘的形式进行的。在一个系统(1)中，PC机声卡等的信号发生器(5)驱动一作为发射器的扩音器(3)，并用一作为接收器的麦克风(4)检测回波脉冲。扩音器(3)发出的调频脉冲由于受到不同高度的TIL或逆温层(2a、2b)的反射而沿不同的路径(7a和7b)传播。发射脉冲与回波脉冲在一个混频器(6)中进行比较，混频器产生各个输出信号(8和9)。其中一路输出(8)是发射脉冲音调与回波脉冲音调的幅值差，其时刻代表这各层TIL的高度。另一路输出(9)可以是回波音调随传播时间的相移，代表了在各个高度上的垂直风速。这样的声探方法和设备可用在天气研究、烟流扩散预测、以及目的在于减小多径衰落的微波链路设计中。
文档编号G01S15/58GK1420990SQ01807470
公开日2003年5月28日 申请日期2001年3月8日 优先权日2000年3月9日
发明者安德鲁·路易斯·马丁 申请人:电信网络信息有限公司