專利名稱：改進(jìn)的低層大氣的聲雷達(dá)探測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通過(guò)分離的聲學(xué)發(fā)射器和接收器在低層大氣進(jìn)行探測(cè)的聲雷達(dá)方法和設(shè)備。
本發(fā)明適用于“單基地”和“雙基地”聲雷達(dá)系統(tǒng)。單基地系統(tǒng)是指發(fā)射器和接收器在系統(tǒng)中共處一地，通常位于同一個(gè)反射盤。雙基地系統(tǒng)是指發(fā)射器和接收器在系統(tǒng)中不是共處一地，而是隔開一段距離，該距離通常大于探測(cè)范圍，而不是該范圍距離的一很小部分。
本發(fā)明的大氣探測(cè)技術(shù)屬于最近提出的聲雷達(dá)或聲波定向和定位一類技術(shù)。聲雷達(dá)與諸如大氣中RADAR(無(wú)線電定向和定位)、LIDAR(光定向和定位)、AERI(大氣散射輻射度干涉測(cè)量)以及混合RASS(無(wú)線電聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng))等使用電磁波的探測(cè)技術(shù)不同。然而，所有這些技術(shù)在它們當(dāng)前形式中的共同點(diǎn)為，關(guān)注多普勒信號(hào)和在處理這些信號(hào)時(shí)使用傅立葉變換方法。盡管SONAR(聲導(dǎo)航和定位)因?yàn)閼?yīng)用于液體介質(zhì)而沒有被提到，由于聲納定位和成像方法已經(jīng)被應(yīng)用到海洋環(huán)境之外，例如某些照相定位、非破壞性測(cè)試和醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)等，因而可以預(yù)見在聲納與聲雷達(dá)專有的聲學(xué)技術(shù)之間的交叉。
背景技術(shù)：
雖然用于風(fēng)廓線的專有聲學(xué)方法及類似方法具有很長(zhǎng)的歷史，Coulter和Kallistratova在他們1999年的綜述文章“在高科技時(shí)代聲學(xué)探測(cè)的角色(The Role Acoustic Sounding in a High-Technology Era)”[氣象學(xué)大氣物理(Meteorol.Atmos.Phys.)71，3-19]顯示，主要由于不能夠達(dá)到適當(dāng)?shù)男旁氡?s/n)，它們的性能還不能令人滿意。
近年來(lái)，雷達(dá)DSP(數(shù)字信號(hào)處理)技術(shù)已經(jīng)用于聲雷達(dá)以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的s/n。特別地，脈沖壓縮技術(shù)已經(jīng)被使用，在該技術(shù)中來(lái)自于相位或頻率編碼聲脈沖的回聲，被使用傅立葉變換的匹配濾波器處理，從而給出距離分辨能力，該距離分辨能力通常與具有更高峰值功率的更短脈沖相關(guān)。這樣的編碼脈沖被認(rèn)為具有“脈沖壓縮”波形或者將要被“脈沖編碼”。這種類型的脈沖在這里被簡(jiǎn)稱為啁啾(chirps)。在一篇題為“SODAR系統(tǒng)中編碼波形的使用(Use of Coded Waveforms for SODAR Systems)”[氣象學(xué)大氣物理(Meteorol.Atomos.Phys.)71，15-23(1999)]的文章中，S G Bradley最近綜述了為了提高聲雷達(dá)中幅度分辨能力而結(jié)合仿真使用雷達(dá)脈沖壓縮技術(shù)。脈沖壓縮技術(shù)在雷達(dá)中使用的例子可以在美國(guó)專利Burkhardt的6,208,285、Normat等的6,087,981以及Mroski等的6,040,898中找到。除了聲雷達(dá)中這些成熟的技術(shù)外，Crescenti的一篇題為“由于噪聲產(chǎn)生的多普勒聲雷達(dá)性能的降低(The Degradation of Doppler Sodar Performance Due to Noise)”的綜述發(fā)現(xiàn)即使在適度的1500米范圍內(nèi)也存在嚴(yán)重的問題。
在我們的未決國(guó)際專利申請(qǐng)PCT/AU01/00247(WO 01/67132)中，我們公開了使用為期幾十秒的長(zhǎng)啁啾的聲雷達(dá)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，當(dāng)啁啾的發(fā)射依然持續(xù)時(shí)，來(lái)自每個(gè)啁啾的回聲被檢測(cè)(這樣的系統(tǒng)可以被稱為“即發(fā)即聽”系統(tǒng)，并且與現(xiàn)有雷達(dá)和聲雷達(dá)技術(shù)的常規(guī)的“先發(fā)后聽”系統(tǒng)形成對(duì)照)。基于傅立葉的脈沖壓縮技術(shù)被用于我們的先前申請(qǐng)中，用以從干擾中提取所需的微弱回聲信號(hào)，所述干擾包括發(fā)射中直接從發(fā)射器接收的直接信號(hào)。在該未決申請(qǐng)中，我們指出在500至5000赫茲頻率范圍的線性聲學(xué)啁啾是適合的。我們還公開了過(guò)采樣的使用；即，超過(guò)啁啾音調(diào)尼奎斯特(Nyquist)頻率的采樣率的使用。
當(dāng)我們未決申請(qǐng)的系統(tǒng)的以上特征的組合用于大幅提高與該技術(shù)相關(guān)的s/n時(shí)，長(zhǎng)啁啾和即發(fā)即聽的使用引起涉及干擾消除的特殊挑戰(zhàn)，從而在低層大氣引發(fā)了精密標(biāo)度的間斷性。干擾中存在三種基本成分直接信號(hào)、環(huán)境噪聲和信號(hào)雜散。環(huán)境噪聲包括三種類型噪聲尖峰，由短高噪聲造成，例如爆竹或槍支、汽車起火等；背景噪聲，例如交通中的嘶嘶聲和隆隆聲；以及所發(fā)射的啁啾從諸如附近建筑等固定物返回的聲學(xué)回聲。雜散是指從例如鳥群或晃動(dòng)的樹等移動(dòng)物體所返回的回聲，這些是不被感興趣的。與傳統(tǒng)的短脈沖先發(fā)后聽雷達(dá)和聲雷達(dá)不同，我們所傾向的長(zhǎng)的聽時(shí)間意味著許多噪聲被收集。
當(dāng)單基地聲雷達(dá)系統(tǒng)能夠被做得緊湊和便于可攜帶時(shí)，尤其是發(fā)射器和接收器被安裝在同一個(gè)盤或機(jī)械結(jié)構(gòu)上，由于直接信號(hào)干擾相對(duì)回聲來(lái)說(shuō)的巨大幅度，直接信號(hào)干擾在即發(fā)即聽系統(tǒng)中是一個(gè)嚴(yán)重的問題。同樣，在單基地系統(tǒng)中最困難的是分離由水平和垂直風(fēng)速引起的返回多普勒成分。這些問題在雙基地系統(tǒng)中具有較小的影響，雙基地系統(tǒng)中接收器被從發(fā)射器充分地移開從而大大地減少直接信號(hào)，并且由于較小反射/折射角的使用，由于水平風(fēng)產(chǎn)生的多普勒信號(hào)自然比由于垂直風(fēng)速產(chǎn)生的多普勒信號(hào)占優(yōu)勢(shì)。然而，這樣的雙基地系統(tǒng)嚴(yán)重地遭受由于主要在垂直方向上比單基地系統(tǒng)具有更長(zhǎng)的信號(hào)通道而產(chǎn)生的傳播損失。
美國(guó)專利Sivian的2,507,121 公開了一種用于探測(cè)大氣層間斷性高度的短脈沖、先發(fā)后聽、單基地聲學(xué)系統(tǒng)。在其中最重要的實(shí)施例中，使用了兩個(gè)接收器(麥克風(fēng))，一個(gè)屏蔽返回的回聲，而另一個(gè)沒有。兩個(gè)接收器被連接，所以它們的輸出是相反的，并且凈信號(hào)被顯示在示波器上。如果是正常的返回回聲，由于只有第二個(gè)接收器檢測(cè)到信號(hào)，顯示脈沖尖。然而，如果是收聽期間的一個(gè)本地槍響，兩個(gè)接收器都檢測(cè)相同的信號(hào)，不顯示脈沖尖。
美國(guó)專利McAllister的3,675,191 公開了一種短脈沖、先發(fā)后聽、單基地聲雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用四個(gè)鄰近的能夠用作揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的聲學(xué)換能器陣列，該陣列按照羅盤方位點(diǎn)排列，并且除了在它們的上方外彼此屏蔽。短聲脈沖被垂直向上發(fā)射，在四個(gè)陣列的每個(gè)上面的返回回聲的相對(duì)計(jì)時(shí)給出風(fēng)層的高度和方向。需要被指出的是，在1969年McAllister和其他人在電氣和電子工程師協(xié)會(huì)學(xué)報(bào)(Proc.IEEE)57卷(Vol.57)第579-587頁(yè)的“聲學(xué)探測(cè)-研究大氣結(jié)構(gòu)的新途徑(Acoustic Sounding-A NewApproach to the Study of Atmospheric Structure)”中充分地記錄了聲學(xué)探測(cè)的物理過(guò)程。一種相似的系統(tǒng)被美國(guó)專利Balser的4,558,594公開，其中能夠在不同方向指示連續(xù)脈沖的聲學(xué)相控陣列被使用，來(lái)自一個(gè)脈沖的回聲在下一個(gè)脈沖被發(fā)射前被該陣列檢測(cè)到。美國(guó)專利Fage等人的5,521,883使用相控陣列在不同方向發(fā)送不同頻率的脈沖，然后同時(shí)收聽所有回聲，從而減少周期時(shí)間。在后者的系統(tǒng)中脈沖發(fā)射的典型仰角在20度至30度之間。由于水平風(fēng)速產(chǎn)生的返回回聲中的低仰角增強(qiáng)多普勒成分勝過(guò)由于垂直風(fēng)速產(chǎn)生的返回回聲中的多普勒成分，但是具有嚴(yán)重的傳播衰減。
在美國(guó)專利Jordan的6,097,669中，公開了在先發(fā)后聽系統(tǒng)中的一種高能量、短持續(xù)時(shí)間的且包括一個(gè)連續(xù)小波串的聲脈沖的發(fā)射?；芈暠徊蓸硬⒈辉O(shè)置范圍門限。在發(fā)射聲音頻率周圍的幅度峰值被在每個(gè)范圍門限中觀測(cè)到，并被用于結(jié)合使用小波系數(shù)和逆小波變換得出在該高度的風(fēng)速。該專利提及Jordan等人的題為“使用小波變換從風(fēng)廓線信號(hào)中消除基礎(chǔ)和間歇性雜散污染”(Removing Ground and Intermittent Clutter Contamination from WindProfiler Signals using Wavelet Transforms)[Mar.Vol.14大氣和海洋技術(shù)雜志(Journal of Atmospheric and Oceanic Technology)，1280-1297]的文獻(xiàn)，該文獻(xiàn)與雷達(dá)相比與聲雷達(dá)方法更相關(guān)。相似地，更早的由Jordan在美國(guó)專利5,592,171中的公開，涉及使用于先發(fā)后聽雷達(dá)風(fēng)廓線中的小波方法，其中主張對(duì)雜散和可變?cè)肼暤谋鎰e的權(quán)利要求。在美國(guó)專利5,686,919中Jordan公開稍微相似的多項(xiàng)式技術(shù)，用于從雷達(dá)先發(fā)后聽系統(tǒng)中消除寬頻帶雜散。然而，這些雜散消除方法完全不適合于使用長(zhǎng)啁啾脈沖和即發(fā)即聽的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
從一方面看，本發(fā)明包括用于通過(guò)向低范圍大氣層發(fā)射啁啾聲學(xué)探測(cè)低層大氣的方法和系統(tǒng)，在該啁啾被發(fā)射時(shí)檢測(cè)來(lái)自該啁啾的回聲以及所伴隨的包括直接信號(hào)、環(huán)境噪聲和回聲雜散的干擾，通過(guò)使用將所接收信號(hào)對(duì)應(yīng)到所發(fā)射啁啾的波形的匹配濾波器技術(shù)從所發(fā)射啁啾中提取回聲幅度和/或相位數(shù)據(jù)。較佳地，多個(gè)接收器結(jié)合單個(gè)發(fā)射器一起使用，并且來(lái)自兩個(gè)相對(duì)接收器的相位數(shù)據(jù)被相減，從而得到在接收器水平方向上的風(fēng)速，因此減輕垂直風(fēng)速的影響，該影響對(duì)每個(gè)接收器接收的信號(hào)是相同的。如果四個(gè)接收器被使用在發(fā)射器周圍的羅盤方位點(diǎn)上，這種方式下對(duì)每對(duì)相對(duì)接收器進(jìn)行相減就可以計(jì)算出風(fēng)速和風(fēng)向。
從另一方面看，本發(fā)明包括通用方式表示的方法和系統(tǒng)，其中使用小波濾波方法通過(guò)從所接收到的小波波形中減去直接信號(hào)(來(lái)自發(fā)射器或來(lái)自屏蔽回聲而沒有屏蔽干擾的偽(dummy)接收器)的波形而衰減直接信號(hào)干擾，然后使用逆小波變換產(chǎn)生用于輸入匹配濾波器的干擾衰減信號(hào)。該小波濾波器也可以通過(guò)識(shí)別和削波不規(guī)則的由接收器輸入信號(hào)的小波變換顯示的噪聲尖峰而衰減環(huán)境噪聲干擾。
從另一方面看，本發(fā)明包括通用方式表示的方法和系統(tǒng)，其中使用小波濾波方法衰減通過(guò)使用匹配濾波器所提取的幅度數(shù)據(jù)或信號(hào)中的雜散干擾。這通過(guò)在使用逆小波變換產(chǎn)生凈幅度信號(hào)之前，運(yùn)用所提取幅度信號(hào)的小波變換以及削波在小波域中被認(rèn)為明顯的不規(guī)則噪聲來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在所指出的信號(hào)處理中通常使用數(shù)字方法。即，模擬接收信號(hào)會(huì)被采樣、數(shù)字化轉(zhuǎn)換成數(shù)字采樣流。然而，在某些處理中，例如采用匹配濾波器所需的傅立葉變換(正變換和逆變換)，需要對(duì)整個(gè)采樣流進(jìn)行變換，而不是嘗試一個(gè)采樣接一個(gè)采樣的變換。其他處理，例如將兩個(gè)采樣流相減或采用小波變換，至少部分可以基于一個(gè)采樣接一個(gè)采樣的方式進(jìn)行。這些方式對(duì)于熟悉DSP領(lǐng)域的人員來(lái)說(shuō)是常見的。
為了最大化s/n，較佳地使用具有數(shù)十秒持續(xù)時(shí)間的啁啾，以及收聽足夠長(zhǎng)時(shí)間，以保證從所關(guān)心最大高度返回完整回聲的機(jī)會(huì)。為了同樣的目的，需要使用至少十倍于尼奎斯特速率的采樣速率。啁啾持續(xù)時(shí)間和采樣速率的限制通常由處理能力決定。
雖然一系列脈沖壓縮波形被本領(lǐng)域公知并且能夠用在本發(fā)明中，我們傾向于(但不限于)跨越大約200Hz到1500Hz的線性啁啾的使用。因?yàn)樾枰獙ｉT的聲學(xué)換能器來(lái)產(chǎn)生延伸到低于500Hz的啁啾，并且聲波在大氣中的傳播在大約1500Hz以上時(shí)衰減得很快，我們發(fā)現(xiàn)使用從約500Hz到約1400Hz范圍的線性啁啾是比較適合的。正如已經(jīng)指出的，多個(gè)聲學(xué)接收器與單個(gè)發(fā)射器一起使用，能夠用于通過(guò)將從匹配濾波器輸出的相位和/或幅度相減或相加進(jìn)一步減少不需要的回聲信號(hào)。這樣，在減少水平成分時(shí)，垂直風(fēng)速成分能夠被突出，反之亦然。
較佳地，但不是主要地，這里所使用的匹配濾波器為復(fù)數(shù)類型，該類型需要將所接收的(以及參考啁啾)信號(hào)流轉(zhuǎn)換為實(shí)流和虛流。這可以通過(guò)本領(lǐng)域公知的正弦和余弦方法實(shí)現(xiàn)。
不管是否使用了多個(gè)接收器，較佳地歸一化返回回聲的幅度(在傅立葉和/或小波處理之前或之后)，從而補(bǔ)償在大氣中的傳播損失。這可以通過(guò)以按照發(fā)射和回聲返回之間的時(shí)間間隔取對(duì)數(shù)的方式增加所返回回聲的幅度來(lái)完成；即，以按照從發(fā)射器和接收器產(chǎn)生回聲的大氣異常的距離取對(duì)數(shù)的方式。更具體地，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)根據(jù)函數(shù)A.Log(d)-B增加所得到幅度信號(hào)的幅度更有效，其中A和B是常數(shù)，d是根據(jù)回聲延遲和空氣中聲速計(jì)算得到的從發(fā)射器到接收器經(jīng)過(guò)所述異常的距離。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)A的可用值在8到14(包括)之間，B的可用值在60到70之間，其中以64最佳。
然而，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)和設(shè)備提供的非常進(jìn)步的分辨率和靈敏度已經(jīng)令人驚訝地顯示出向上進(jìn)入低層大氣的啁啾的衰減特性在大約1到2km的高度，簡(jiǎn)單地比方說(shuō)1.5km，出現(xiàn)變化。我們的研究顯示，大約1.5km以下的衰減服從合乎球面波傳播的平方反比規(guī)律，但是在此高度以上，衰減似乎或多或少地為線性；即，在大約1.5km以上(最少至15km)的大氣中垂直聲學(xué)傳播顯示出為平面特性。因此，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，我們傾向于使用常數(shù)補(bǔ)償大約1.5-2.0km以上的衰減，使用對(duì)數(shù)函數(shù)補(bǔ)償在此高度以下的衰減(如前面段落所指出的)。
從實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)傅立葉域處理獲得的幅度信號(hào)表示大氣反射率隨著高度(從發(fā)射器到接收器的距離)增長(zhǎng)的變化，“反射率”被廣泛地用來(lái)表示大氣返回回聲信號(hào)的能力。這種使用與傅立葉處理方法結(jié)合的長(zhǎng)脈沖壓縮啁啾的增長(zhǎng)的或相關(guān)的測(cè)量技術(shù)，允許來(lái)自大范圍的風(fēng)變化的返回(如發(fā)生在尾波渦旋中)，從而與通常不能處理與如此高風(fēng)速對(duì)應(yīng)的大多普勒相移的基于多普勒的技術(shù)相反，容易被檢測(cè)和/或被度量。
通過(guò)發(fā)射兩種不同編碼的啁啾(同時(shí)使用兩個(gè)發(fā)射器或使用一個(gè)發(fā)射器之后再使用另一個(gè))，累積的相位輸出能夠被處理從而消除所有共同的信號(hào)和由交叉范圍的風(fēng)產(chǎn)生的成分，從而允許表示范圍內(nèi)聲速變化和范圍內(nèi)虛擬溫度變化的進(jìn)一步輸出的產(chǎn)生。較佳地，所述兩種啁啾為相同的正的和負(fù)的線性相位啁啾(例如，正啁啾從800上升到1600Hz，負(fù)啁啾以相同的相位速率從1600下降到800Hz)。
因此，本發(fā)明最后提到的一方面提供s/n進(jìn)一步的更大改善，即使在即發(fā)即聽方式下，允許與本領(lǐng)域相關(guān)的更高的回聲辨別力。同樣，通過(guò)多個(gè)接收器的瞬時(shí)回聲接收和處理，極大地提高了周期時(shí)間。
正如已經(jīng)指出的，需要(但不是必須)將多個(gè)接收器置于與同一個(gè)發(fā)射器相同的距離并靠近該發(fā)射器，所以每個(gè)接收器將會(huì)遭受相同的環(huán)境噪聲(以及其它相同的成分)。一般地，噪聲環(huán)境更高和更低的一致，接收器彼此需要盡可能地更接近，從而確保每個(gè)接收器遭受相同的環(huán)境噪聲。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在嘈雜的環(huán)境中，接收器和發(fā)射器之間的距離應(yīng)該約為幾米。在安靜的環(huán)境中，距離可以約為10米。


已經(jīng)描述了本發(fā)明的特性，現(xiàn)在將結(jié)合有關(guān)的附圖描述詳細(xì)的實(shí)施例。然而，熟悉本領(lǐng)域的人員會(huì)意識(shí)到許多變化和修改能夠被用于所選擇的實(shí)施例，并且符合在權(quán)利要求中所確定本發(fā)明的范圍。在這些附圖中圖1為用于探測(cè)低層大氣的聲雷達(dá)系統(tǒng)所選實(shí)施例的基本組成的示意平面圖，該系統(tǒng)中使用了多個(gè)接收器和一個(gè)發(fā)射器；圖2為在所選實(shí)施例中處理來(lái)自圖1的多個(gè)接收器的信號(hào)的方式的整體系統(tǒng)圖；圖3為圖2中一部分的更詳細(xì)的框圖；圖4-13為幅度(縱坐標(biāo))對(duì)采樣數(shù)目(橫坐標(biāo))的曲線圖，每個(gè)曲線圖以對(duì)應(yīng)于圖2和圖3中的參考標(biāo)號(hào)的標(biāo)號(hào)相區(qū)別；圖15和16分別為使用小波濾波和沒有使用小波濾波的情況下輸入到匹配濾波器的采樣信號(hào)流的幅度對(duì)采樣數(shù)目的曲線圖；圖17和18分別為經(jīng)過(guò)和未經(jīng)過(guò)所公開方式的干擾衰減的從匹配濾波器輸出的相位的多普勒頻譜的曲線圖；圖21為使用常規(guī)技術(shù)從該示例的相位和幅度的輸出計(jì)算得到的整個(gè)動(dòng)能與高度的曲線圖；圖22為輸入匹配濾波器的低通濾波器中的實(shí)信號(hào)成分的幅度對(duì)頻率的曲線圖；圖23為從匹配濾波器的低通濾波器中輸出的實(shí)成分的幅度對(duì)頻率的曲線圖；圖24為能夠根據(jù)所描述示例產(chǎn)生的大氣數(shù)據(jù)類型的示例；圖25A和25B為分別經(jīng)過(guò)和未經(jīng)過(guò)雜散消除的、來(lái)自本示例的系統(tǒng)中的一個(gè)接收器的處理后返回信號(hào)的輸出；圖26為使用所選擇示例的長(zhǎng)期探測(cè)的輸出，描繪出了一個(gè)接收器超過(guò)大約6天的返回的幅度的梯度。
具體實(shí)施例方式
轉(zhuǎn)到圖1，第一示例的聲雷達(dá)系統(tǒng)10包括，擴(kuò)音器(發(fā)射聲學(xué)換能器)12，位于環(huán)繞的、只在頂部開口的隔聲屏14中，四個(gè)麥克風(fēng)(接收聲學(xué)換能器)16n、16s、16e和16w被放置在擴(kuò)音器12周圍，每個(gè)位于各自獨(dú)立的同樣只在頂部開口的隔聲屏18中。麥克風(fēng)16n、16s、16e和16w被置于與揚(yáng)聲器12等距的位置上，并且各自被安置在相對(duì)于揚(yáng)聲器12的羅盤方位點(diǎn)北、南、東和西的方向。本示例的系統(tǒng)10是一個(gè)緊湊的單基地系統(tǒng)，其中揚(yáng)聲器12和麥克風(fēng)16n、16s、16e和16w共處一地；即，彼此在幾米之內(nèi)，并且甚至可能被安裝在一個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)或反射盤上(如同我們未決國(guó)際申請(qǐng)PCT/AU02/001129中所公開的那樣，但是這里沒有示出)。
揚(yáng)聲器12和它的隔聲屏14被合適地安放，使得揚(yáng)聲器的聲學(xué)輸出被控制垂直向上成一束進(jìn)入大氣，以黑箭頭20概略地表示。麥克風(fēng)16n、16s、16e和16w以及它們的隔聲屏18可以也被安放成優(yōu)先地接收向下傳播的聲音。如果需要，麥克風(fēng)16n、16s可以被稍微地向?qū)Ψ睫D(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，并且16e和16w也可以稍微地向?qū)Ψ睫D(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。需要注意確保所有麥克風(fēng)是基本上一樣的，并以基本上一樣的方式被屏蔽，并且，如果像所指出的那樣轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，所有麥克風(fēng)都具有與相對(duì)揚(yáng)聲器12發(fā)射軸相同的角度。
在本示例中，伴有隔聲屏24的第五“偽”麥克風(fēng)22被使用，麥克風(fēng)22與每個(gè)其它的麥克風(fēng)16n、16s、16e和16w基本上一樣，被安置與其它麥克風(fēng)到揚(yáng)聲器12一樣的距離，并且，它的隔聲屏24與其它每個(gè)麥克風(fēng)的隔聲屏18基本上一樣。然而，偽麥克風(fēng)22不同在于，它被聲學(xué)屏蔽了完全垂直到達(dá)的聲音，如平行線陰影26所標(biāo)出的，隔聲屏26被垂直安置于麥克風(fēng)22和隔聲屏24兩者的上方，所以本地水平方向的聲音以與它們被其它麥克風(fēng)16n、16s、16e和16w檢測(cè)一樣的方式被麥克風(fēng)22檢測(cè)。因此，偽麥克風(fēng)22傾向于接收與其它麥克風(fēng)相同的直接信號(hào)和環(huán)境噪聲干擾，但不接收從大氣返回的回聲或雜散干擾。
在本示例中，由揚(yáng)聲器12輸出的聲音為36秒持續(xù)時(shí)間的恒定幅度線性啁啾的形式，起始于約700Hz的頻率，結(jié)束于約1600Hz的頻率，該過(guò)渡由平滑的恒定率的相位變化實(shí)現(xiàn)。該啁啾以30圖示，并且在大氣探測(cè)期間每50-60秒重復(fù)一次。揚(yáng)聲器12由驅(qū)動(dòng)電路32提供能量，該驅(qū)動(dòng)電路32從計(jì)算機(jī)或PC 34的聲卡(沒有示出)接收其輸入。PC 34也產(chǎn)生一個(gè)同步輸出36，在本示例中該同步輸出36為96kHz的大致的方波。
由每個(gè)麥克風(fēng)16n、16s、16e、16w和22檢測(cè)到的聲音，被作為電模擬信號(hào)輸出，并在各自的接收器電路38中以常規(guī)方式被調(diào)節(jié)和放大，每個(gè)接收器電路38的模擬輸出在各自模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器40中被時(shí)間采樣并被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。采樣速率和計(jì)時(shí)被來(lái)自PC 34的同步信號(hào)36控制。在本示例中，用于每個(gè)接收器38輸出的采樣率為96kHz，并且每個(gè)采樣的精度為32比特。
在圖1中，被每個(gè)麥克風(fēng)16n、16s、16e、16w和22接收的直接信號(hào)干擾由大箭頭42表示。直接信號(hào)42不會(huì)和所傳播的信號(hào)20相同，因?yàn)槭褂迷趽P(yáng)聲器和麥克風(fēng)周圍的隔聲屏將比其他頻率成分更多地衰減某些頻率成分，并且也會(huì)引起某些頻率選擇性相移。同樣，出現(xiàn)在麥克風(fēng)檢測(cè)的信號(hào)中的本地混響可能沒有出現(xiàn)在發(fā)射的啁啾中。從大氣返回的回聲(包括雜散)由小箭頭44表示，需要指出的是，箭頭44沒有在偽麥克風(fēng)22處標(biāo)出，這是由于該麥克風(fēng)被屏蔽了垂直傳播的聲音。因?yàn)辂溈孙L(fēng)16n、16s、16e、16w和22水平方向上都以相同的方式被屏蔽，并且被置于與揚(yáng)聲器12相等的距離上，被每個(gè)麥克風(fēng)接收的直接信號(hào)42和被每個(gè)麥克風(fēng)接收的環(huán)境噪聲信號(hào)(由黑色箭頭46表示)是基本上一樣的。當(dāng)然，因?yàn)槊總€(gè)麥克風(fēng)“看到”大氣不同的部分，返回到每個(gè)麥克風(fēng)16n、16s、16e、16w的回聲44不會(huì)相同。
最后，需要指出的是，從每個(gè)A/D電路40流出的32比特采樣的96kHz流被分開輸出來(lái)自偽麥克風(fēng)22的部分以D指示，來(lái)自麥克風(fēng)16n、16s、16e、16w的部分以N、S、E和W指示。一個(gè)以R指示的32比特、96kHz參考輸出流，與被PC 34輸出到揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器32的信號(hào)一致，具有或不具有與實(shí)際供給驅(qū)動(dòng)器32的信號(hào)相關(guān)的有意添加的時(shí)間延遲。采樣流N、S、E和W較佳地從信號(hào)20發(fā)射的開始時(shí)啟動(dòng)，參考采樣流R較佳地不含時(shí)間延遲地被產(chǎn)生，因此，對(duì)于流R中的每個(gè)采樣，在每個(gè)采樣流N、S、E和W中存在相應(yīng)的采樣。然而，有必要使采樣流N、S、E和W在發(fā)射的啁啾30和參考流R終止之后以96kHz采樣速率繼續(xù)地被產(chǎn)生一段時(shí)間，該時(shí)間取決于所需范圍。
在本示例中，所需范圍被假定為從大約10m到稍過(guò)1000m。由于采樣流N、S、E和W持續(xù)被產(chǎn)生(依靠從PC 34持續(xù)被輸出的同步信號(hào)36)六秒，長(zhǎng)于啁啾30(以及流R)的持續(xù)時(shí)間，所以最大范圍是6×340×0.5或1020m (340為以m/s單位的聲音在空氣中的速度，0.5因子是考慮到回聲往返行程)。因此，在本示例中，每個(gè)啁啾具有11s的持續(xù)時(shí)間，整個(gè)收聽時(shí)間(以及每個(gè)采樣流N、S、E和W的持續(xù)時(shí)間)為每個(gè)發(fā)射啁啾開始之后的11s。
正如已經(jīng)指出的，采樣流N、S、E和W包含與形態(tài)為直接信號(hào)42和環(huán)境噪聲46的大量干擾一起的微弱返回回聲44。采樣流D包含該干擾，但不包含可忽略數(shù)量的回聲44。也正如已經(jīng)指出的，回聲44自身包含形態(tài)為由于視野中移動(dòng)物體反射產(chǎn)生的雜散的干擾。下面將參考圖2和圖3詳細(xì)說(shuō)明這些干擾信號(hào)的選擇性消除或衰減以及從微弱回聲中產(chǎn)生所需輸出。
特別參照?qǐng)D2，來(lái)自圖1的N、S、E和W采樣流在小波濾波器50中被并行處理，以選擇性地減少直接信號(hào)干擾42(圖1)和環(huán)境噪聲干擾46。這通過(guò)使用數(shù)值小波(numerical wavelet)方法完成，首先，比較每個(gè)采樣流N、S、E和W的變化與參考信號(hào)R或D的變化，以選擇性地減少直接信號(hào)干擾，其次，識(shí)別并消除尖峰干擾，第三，衰減背景隆隆聲或嘶嘶聲。在直接信號(hào)干擾的減少中優(yōu)先使用參考信號(hào)D，因?yàn)樗咏仡愃朴诒畸溈孙L(fēng)16n、16s、16e和16w真正接收的直接信號(hào)干擾。合適的數(shù)值小波處理方法可以從以商標(biāo)MatLab出售的DSP功能的商用組件中得到。
從小波濾波器50輸出的清理后的采樣流N’、S’、E’和W’然后被提供給匹配濾波器52，并在其中被使用傅立葉域處理技術(shù)并行處理，以產(chǎn)生分離的采樣回聲相位流和回聲幅度成分流(分別以54和56指示)。因此，N相位成分流包括一個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)值的時(shí)間序列，其中每個(gè)數(shù)值表示在輸入匹配濾波器52的采樣流N’中每個(gè)對(duì)應(yīng)凈采樣的在-π和+π之間的一個(gè)相位值；這同樣適用于相位輸出流54的S、E和W成分。N、S、E和W幅度輸出流56中的每個(gè)相似地包括一系列數(shù)字?jǐn)?shù)值，其中每個(gè)數(shù)值表示由對(duì)應(yīng)于輸入匹配濾波器52的凈采樣N’、S’、E’和W’所代表的回聲的幅度。當(dāng)然，在該階段雜散干擾出現(xiàn)在這些相位和幅度采樣中。
包含雜散干擾的N、S、E和W幅度采樣然后被通過(guò)第二小波濾波器58，在第二小波濾波器58中，包含對(duì)應(yīng)于雜散的不規(guī)則幅度峰的采樣被識(shí)別并被調(diào)整(被削波)，以符合相鄰采樣的幅度。由于對(duì)應(yīng)的相位采樣54也非常可能包含不規(guī)則相位數(shù)據(jù)，處理59被用于存儲(chǔ)不規(guī)則采樣的標(biāo)識(shí)(例如序數(shù))以及調(diào)整相同相位采樣54的相位讀取，這樣它們符合它們相鄰采樣的相位。所采用的方式將被簡(jiǎn)短地說(shuō)明。現(xiàn)在，需要指出的是，從第二小波濾波器58輸出的四個(gè)調(diào)整后的幅度采樣流60被存儲(chǔ)在一系列對(duì)應(yīng)的回聲強(qiáng)度的庫(kù)62中，用于以后的顯示或研究。
如果需要，這里作為優(yōu)選地，希望調(diào)整存儲(chǔ)在庫(kù)62中的每個(gè)采樣所記錄的幅度，以補(bǔ)償傳輸損失，這可以通過(guò)歸一化處理64完成，然后每個(gè)歸一化的幅度采樣被存儲(chǔ)在一系列對(duì)應(yīng)的歸一化采樣庫(kù)66中?？商娲?，該歸一化處理可以提前進(jìn)行，如同由虛線68顯示的處理。盡管我們不確定我們已經(jīng)通過(guò)對(duì)使用所選示例的處理的大氣探測(cè)的結(jié)果和無(wú)線電探空儀的讀數(shù)進(jìn)行比較所發(fā)現(xiàn)的理論解釋，但是返回回聲的幅度趨向于隨著傳播損失的范圍以對(duì)數(shù)下降，一直到大約1200-1500m的高度。奇怪的是，在2000m之后，下降隨著范圍趨向于線性。因此，在本示例中，歸一化處理64或68通過(guò)如下方式使用這些發(fā)現(xiàn)根據(jù)采樣數(shù)目以對(duì)數(shù)提高流56中幅度采樣的幅度，直到采樣數(shù)目達(dá)到對(duì)應(yīng)于1250m的范圍，并且隨著采樣數(shù)目進(jìn)一步增加，線性地提高流56每個(gè)采樣中所記錄的幅度。因此，隨著將1250m高度以下空氣中的聲速取為340m/s以及允許2040m的往返行程，采樣數(shù)目8.9×105大約對(duì)應(yīng)于600m的范圍。直到采樣數(shù)目7×105使用對(duì)數(shù)歸一化，并且從8.9×105到1.07×106使用線性歸一化，1.07×106接近以96K/s在11s內(nèi)取的采樣數(shù)目(并且接近1020m的范圍)。
現(xiàn)在回到瞬時(shí)相位采樣流54的處理，如先前指出的那樣，每個(gè)流的每個(gè)采樣包括一個(gè)在-π和+π之間的、指示該采樣的所測(cè)量相位的數(shù)值。為了獲得可表示在與采樣數(shù)值相應(yīng)范圍的多普勒頻移或風(fēng)速的輸出，相位采樣54的每個(gè)相位流成分(N、S、E和W)必須被處理，以從頭開始產(chǎn)生增加的或累積的相位。該處理被由70表示的“展開”處理完成，該操作也是MatLab中公知的數(shù)值DSP技術(shù)。因此，數(shù)字?jǐn)?shù)值72的N、S、E和W流被從展開處理70中輸出，所述處理70表示與束20中每個(gè)發(fā)射采樣對(duì)應(yīng)的每個(gè)流中采樣的累積相移(也就是多普勒成分)。然而，在流70被輸出之前，那些與不規(guī)則幅度采樣(表示雜散干擾)對(duì)應(yīng)的采樣的累積相移通過(guò)使用處理60調(diào)整為符合它們的相鄰采樣。
雖然該“原始的多普勒”信息是有價(jià)值的，并且能夠被用于描繪在對(duì)應(yīng)于每個(gè)所接收采樣的高度的水平風(fēng)速，但是它包含由于在每個(gè)相關(guān)高度垂直風(fēng)速中的瞬時(shí)變化產(chǎn)生的明顯“多普勒噪聲”。由于所有接收器/麥克風(fēng)看到天空相同的部分，該相同部分能夠被假設(shè)為在一個(gè)短時(shí)期內(nèi)具有大致相同的垂直風(fēng)速，由于風(fēng)速垂直成分產(chǎn)生的該多普勒噪聲能夠一個(gè)接一個(gè)地在處理74中通過(guò)累積的N和S相位采樣72相減被消除，從而產(chǎn)生凈N-S相位采樣流。該N-S流被復(fù)制成兩個(gè)一樣的N-S采樣流76和78輸出。相似地，E和W采樣流72在處理80中被相減，從而產(chǎn)生兩個(gè)一樣的凈E-W速度采樣流82和84。采樣流76和82被提供給處理86，每個(gè)采樣的風(fēng)速?gòu)奶幚?6通過(guò)使用公式 得到，從而產(chǎn)生存儲(chǔ)在風(fēng)速采樣庫(kù)90中的輸出風(fēng)速采樣流88。采樣流78和84被提供給處理92，每個(gè)采樣的風(fēng)向通過(guò)使用公式ATan2{[E-W]/[N-S]}從處理92中得到，由此產(chǎn)生的風(fēng)向采樣流93被裝進(jìn)風(fēng)向庫(kù)94用于存儲(chǔ)。
在回聲信號(hào)的處理中以及在那些獲得的所接收信號(hào)中每個(gè)采樣的風(fēng)速、風(fēng)向和回聲強(qiáng)度數(shù)據(jù)的產(chǎn)生中，存在非常大量的用于存儲(chǔ)結(jié)果的庫(kù)62、66、90和94，這是非常重要的；因?yàn)樵谒x擇示例的11s收聽時(shí)間中大約有5.7×105個(gè)采樣。即使一個(gè)單獨(dú)附加的PC被用于處理每個(gè)接收的采樣流，上述巨大數(shù)量的采樣也導(dǎo)致沉重的處理負(fù)載和大量的處理時(shí)間。所需庫(kù)的數(shù)量能夠通過(guò)以下方法被有效地減少(例如)均分輸出流60、88和93中每10、50或100個(gè)采樣，并在處理中把平均數(shù)放入一個(gè)相應(yīng)的“范圍庫(kù)”，這通常叫做在圖中通常以96表示的“范圍門限”。對(duì)于1020m的范圍5.7×10個(gè)采樣表示每米564個(gè)采樣，在10、50和100個(gè)采樣的范圍門限給出每范圍門限56、11和6個(gè)采樣并且相應(yīng)地減少庫(kù)的數(shù)量。如果處理負(fù)擔(dān)能夠在任何更早的階段通過(guò)均分信號(hào)被類似地減少，這將會(huì)被發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致不良的結(jié)果，并且這不是想要得到的。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，下面將詳細(xì)說(shuō)明小波濾波器50和匹配濾波器52的功能。來(lái)自麥克風(fēng)16n、16s、16e和16w并輸入小波濾波器50的N、S、E和W采樣流，一個(gè)采樣接一個(gè)采樣地在處理100中被使用Daubechies小波變換變換成相應(yīng)的小波函數(shù)。對(duì)于每個(gè)采樣，一個(gè)“近似”函數(shù)和一個(gè)“細(xì)部(detail)”函數(shù)被輸出，它們被以102和104表示。輸入的參考采樣流R或D(在本實(shí)施例中D較佳)105在處理106中被相似地轉(zhuǎn)換為一組對(duì)應(yīng)的小波函數(shù)，對(duì)于每個(gè)采樣一個(gè)近似函數(shù)108和一個(gè)細(xì)部函數(shù)110被輸出。通過(guò)在處理112中將近似函數(shù)102和108相減，以及通過(guò)在處理114中將細(xì)部函數(shù)相減，凈的近似函數(shù)和細(xì)部函數(shù)采樣流116和118被產(chǎn)生(和衰減的直接信號(hào)一起表示原始采樣流N、S、E和W)。
在“小波域”中噪聲減少的第二階段通過(guò)處理120實(shí)現(xiàn)，以減少尖峰噪聲。處理120按照輸入產(chǎn)生不同的輸出116和118，并使用細(xì)部輸出118來(lái)識(shí)別遭受尖峰噪聲的采樣，然后減少近似輸入116中相同采樣的幅度值，從而符合相鄰的沒有遭受噪聲尖峰的采樣的值。細(xì)部噪聲118中的尖峰也被減少。因此，由操作120產(chǎn)生的調(diào)整后的近似輸出112和細(xì)部輸出124然后被提供給處理126，處理126執(zhí)行噪聲減少的第三階段，也就是背景嘶嘶聲和隆隆聲的消除。處理126簡(jiǎn)單地將細(xì)部采樣流124的每個(gè)采樣的幅度設(shè)置為0。所輸入調(diào)整后的近似122然后作為輸出近似采樣流128在基本上沒有變化地被通過(guò)，與被置為零的細(xì)部流130一起送到逆小波變換操作132，從而產(chǎn)生重新構(gòu)成的“凈”采樣流N’、S’、E’和W’，它們是小波濾波器50的輸出。
噪聲減少后的采樣流N’、S’、E’和W’被從小波濾波器50輸出到匹配濾波器52，用于使用傅立葉方法提取相位和幅度成分。再一次，能從諸如MatLab等資源獲得的公知的快速傅立葉算法能夠被用來(lái)完成匹配濾波器功能。輸入的采樣流N’、S’、E’和W’被并行地輸入兩個(gè)分離的乘法器或“混合器”150和152。被輸入到乘法器150的每個(gè)采樣流的每個(gè)采樣，被乘以一個(gè)2000Hz信號(hào)154的正弦的相應(yīng)的數(shù)值采樣，并且，被輸入到乘法器152的每個(gè)采樣流的每個(gè)采樣，被乘以同一個(gè)2000Hz信號(hào)的余弦的相應(yīng)的數(shù)值采樣。熟悉本領(lǐng)域的人員會(huì)認(rèn)識(shí)到這些正弦和余弦函數(shù)能夠被完全數(shù)值地產(chǎn)生，而不需要對(duì)模擬的2000Hz信號(hào)采樣，為了清楚的目的，圖3給出了后者。因此，假設(shè)模擬信號(hào)154被A/D轉(zhuǎn)換器156采樣，并且在被輸入乘法器150之前，結(jié)果流的每個(gè)采樣的正弦在處理158中被數(shù)值地提取。相似地，假設(shè)信號(hào)154被A/D轉(zhuǎn)換器160采樣，從而產(chǎn)生采樣流，該采樣流然后在將結(jié)果采樣流輸入乘法器152之前在處理162中被數(shù)字地轉(zhuǎn)換成每個(gè)采樣的余弦。這樣(如本領(lǐng)域中所公知的)，乘法器150和152的輸出一起產(chǎn)生所輸入采樣流N’、S’、E’和W’的一個(gè)復(fù)數(shù)表達(dá)式，乘法器150的輸出和乘法器152的輸出成為各自包括所輸入采樣流N’、S’、E’和W’的虛部I和實(shí)部Q的采樣流。
每個(gè)完整復(fù)數(shù)采樣流N’、S’、E’和W’然后通過(guò)使用快速傅立葉變換操作164被轉(zhuǎn)換到傅立葉域。該變換結(jié)果然后作為復(fù)數(shù)采樣流I’、Q’通過(guò)低通濾波器166提供，從而消除高頻成分，低頻輸出I”、Q”然后被輸入相關(guān)器或復(fù)數(shù)乘法器168，在那里它被乘以以171表示的參考采樣流R(由PC 34產(chǎn)生的啁啾信號(hào))的傅立葉變換的通常以170表示的復(fù)數(shù)輸出。后者的變換由接收采樣流R正弦和余弦成分的處理172產(chǎn)生。相關(guān)器168最終的復(fù)數(shù)輸出I、Q信號(hào)流然后被輸入逆快速傅立葉處理180并且被其累加，產(chǎn)生時(shí)間域信號(hào)流54和56(參看圖2)，這個(gè)會(huì)被重新取回的流各自包含對(duì)應(yīng)于圖1中采樣流N、S、E和W的每個(gè)輸入采樣的相位和幅度信息。
如上所述，從匹配濾波器52輸出的相位和幅度流54和56仍然包含可能在小波濾波器50中不能被消除的雜散噪聲。但是，一旦提取了分離的相位和幅度采樣流，不規(guī)則信號(hào)能夠通過(guò)使用第二小波濾波器58而消除(圖2)。因?yàn)槌瞬恍枰苯有盘?hào)減少步驟，該濾波器與濾波器50完全一樣，因此不再對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)說(shuō)明。N、S、E和W幅度流56的分離的小波變換在濾波器50中被以與處理100相同的處理實(shí)現(xiàn)，具有不規(guī)則尖峰噪聲的幅度采樣在濾波器50中被以與處理120相同的處理識(shí)別。在該處理中，不規(guī)則尖峰噪聲被減少(被削波)，并且在被作為凈回聲幅度流60從濾波器58輸出之前，調(diào)整后的幅度采樣流在濾波50中以與處理132相同的處理受到逆小波變換(圖2)。
如前所述，位于濾波器58的不規(guī)則采樣的標(biāo)識(shí)被送到處理59，并且被該處理使用，從而符合由處理70產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)的展開相位。
圖4-14為說(shuō)明圖3的小波濾波器50中不同點(diǎn)的信號(hào)的曲線圖，這些曲線圖按照采樣幅度(縱坐標(biāo))對(duì)采樣數(shù)目(橫坐標(biāo))描繪。圖1-14的曲線圖被按照右上角的字母或數(shù)字來(lái)確定在圖3中提取信號(hào)的位置。這些圖是從使用500K個(gè)采樣的發(fā)射啁啾和從啁啾開始時(shí)啟動(dòng)的1050K個(gè)采樣的收聽時(shí)間的測(cè)試中得到的。
圖14表示圖3中輸入到小波變換處理100的W采樣流，顯示在W返回的前500K個(gè)采樣中直接信號(hào)的優(yōu)勢(shì)。在數(shù)目800K處或附近，尖銳的噪聲尖峰被顯示在采樣中。圖5說(shuō)明輸入到小波變換處理106的所發(fā)射啁啾的采樣流R，顯示在約500K個(gè)采樣的整個(gè)發(fā)射周期期間一個(gè)大恒定幅度。圖6為從變換處理100輸出的小波變換近似102采樣流，再次說(shuō)明直接信號(hào)和噪聲尖峰；而圖7為來(lái)自該相同處理的細(xì)部采樣流104，突出明顯的噪聲尖峰，但是顯露了在約5K采樣數(shù)目的另一個(gè)較小的噪聲脈沖(注意，由于與小波變換處理相關(guān)的技術(shù)原因，細(xì)部輸出的采樣數(shù)目是近似輸出的采樣數(shù)目的一半)。
圖8和圖9分別為采樣流R小波變換的近似和細(xì)部輸出108和110，可以看到，參考啁啾導(dǎo)致在250K采樣區(qū)域的一個(gè)尖銳峰。圖10和11為相減后的近似和細(xì)部采樣流116和118，大多數(shù)直接信號(hào)已經(jīng)從流116消除，但是噪聲尖峰仍然顯示在118中。圖11中噪聲尖峰的幅度被作為條件測(cè)試使用，為了在處理120中削波近似和細(xì)部信號(hào)，產(chǎn)生圖12中削波后的近似采樣流122和圖13中削波后的細(xì)部采樣流124，在逆小波變換被用在處理132中以產(chǎn)生噪聲減少的正常輸出W’之前，該采樣流(124)然后在處理126中被置為零。
圖15和16顯示通過(guò)處理126獲得的s/n增益，其中剩余的嘶嘶噪聲由此被減少，圖15為沒有使用處理126的采樣流W’，圖16為使用處理126的信號(hào)W’；圖15中信號(hào)的s/n為30dB，而圖16中信號(hào)的s/n為40dB。
圖17和18顯示在(例如)風(fēng)速為(例如)600m的測(cè)量中使用小波濾波器50的益處；即，采樣88處于對(duì)應(yīng)于600m高度的范圍門限90(圖2)。圖17為表示沒有使用小波濾波器50的在該范圍門限內(nèi)的多普勒信號(hào)，而圖18為使用濾波器50的相同信號(hào)。
圖19和20各自顯示在某一天風(fēng)向和風(fēng)速隨著高度的變化，該風(fēng)向和風(fēng)速取自圖2中風(fēng)向庫(kù)94和風(fēng)速庫(kù)90。如本領(lǐng)域公知，該數(shù)據(jù)能夠被用于計(jì)算隨著高度變化的風(fēng)能變化的二階矩，它與整個(gè)動(dòng)能(TKE)的重要參數(shù)成比例。圖21說(shuō)明使用來(lái)自圖19和20的數(shù)據(jù)進(jìn)行上述計(jì)算的結(jié)果。
圖22說(shuō)明輸入匹配濾波器52(參看圖3)中低通濾波器168的實(shí)部Q’的一個(gè)例子，圖23說(shuō)明從匹配濾波器52中低通濾波器168輸出的、對(duì)應(yīng)于圖22中顯示的所輸入的實(shí)部Q的一個(gè)例子。
圖24提供了由圖1-3中系統(tǒng)10所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的綜合展示，顯示N、S、E和W信號(hào)幅度隨著高度直到744m的變化、風(fēng)切變的數(shù)值、水平風(fēng)速和風(fēng)向。圖25A和25B為通過(guò)兩個(gè)相同的系統(tǒng)在同一天超過(guò)12小時(shí)重復(fù)檢測(cè)的實(shí)際圖樣，其中縱坐標(biāo)為高度、橫坐標(biāo)為時(shí)間，在范圍門限96的庫(kù)66中的回聲返回的歸一化后的幅度被以灰度的深淺來(lái)表示(由于它們是彩色打印輸出的復(fù)印品，許多細(xì)節(jié)已經(jīng)丟失)。圖25A顯示沒有經(jīng)過(guò)小波濾波器58雜散消除的返回，雜散出現(xiàn)在190和320m。圖25B顯示經(jīng)過(guò)小波濾波器58雜散消除的返回。圖26描繪了經(jīng)過(guò)大約六天的高度和時(shí)間，其中幅度采樣的一階導(dǎo)數(shù)被以灰度的深淺顯示。
本示例中接收器子系統(tǒng)的計(jì)算需求是大量的，并且很可能證明使用一個(gè)PC去處理來(lái)自每個(gè)接收器的信號(hào)、使用另一個(gè)PC去產(chǎn)生所述啁啾以及充當(dāng)一個(gè)控制器是合適的。
權(quán)利要求
1.一種利用聲學(xué)發(fā)射器裝置和接收器裝置聲學(xué)探測(cè)一定高度范圍上的低層大氣的方法，所述接收器裝置包括第一聲學(xué)換能器，該方法包括以下步驟利用所述發(fā)射器裝置，沿著傳播軸向所述范圍上的低層大氣傳播聲學(xué)啁啾(如這里理解的那樣)，在所述啁啾發(fā)射期間及之后，利用所述第一換能器檢測(cè)從大氣返回的所述啁啾的聲學(xué)回聲，所述第一換能器因此也檢測(cè)包括該啁啾的直接發(fā)射、環(huán)境噪聲和回聲雜散的聲學(xué)干擾，并利用所述第一換能器產(chǎn)生代表所述檢測(cè)到的回聲和干擾的第一模擬電子接收信號(hào)，采樣所述第一模擬電子接收信號(hào)以產(chǎn)生數(shù)字采樣的第一輸入流，該第一輸入流表示包括由于所述干擾產(chǎn)生的信號(hào)成分的該第一模擬接收信號(hào)的瞬時(shí)幅度，產(chǎn)生所述數(shù)字采樣的第一輸入流的復(fù)數(shù)傅立葉變換，關(guān)聯(lián)在傅立葉域中的所述變換和所述啁啾的復(fù)數(shù)傅立葉變換，以產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的變換，產(chǎn)生所述關(guān)聯(lián)的變換的逆傅立葉變換，從而產(chǎn)生幅度采樣的輸出流，該輸出流表示與范圍對(duì)應(yīng)的反射或折射異常的強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括以下步驟產(chǎn)生所述關(guān)聯(lián)的變換的逆傅立葉變換，從而產(chǎn)生表示與范圍對(duì)應(yīng)的風(fēng)特性的相位采樣的輸出流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，包括在產(chǎn)生所述復(fù)數(shù)傅立葉變換之前，使所述第一輸入采樣流通過(guò)小波濾波器以衰減所述干擾的直接信號(hào)和環(huán)境噪聲成分的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，包括以下步驟產(chǎn)生數(shù)字采樣的變更的第一輸入流，其中在所述數(shù)字采樣的第一輸入流中所述干擾的直接信號(hào)成分被衰減，以及使用所述變更的第一輸入流產(chǎn)生所述復(fù)數(shù)傅立葉變換，產(chǎn)生所述變更的輸入流的步驟包括以下子步驟執(zhí)行所述數(shù)字采樣的第一輸入流的小波變換，以產(chǎn)生采樣的分離的接收的小波近似流和接收的小波細(xì)部流，執(zhí)行所發(fā)射啁啾的數(shù)字采樣流的小波變換，以產(chǎn)生采樣的分離的小波啁啾近似流和小波啁啾細(xì)部流，將所述接收的小波近似采樣和所述啁啾近似采樣相應(yīng)的部分相減，以產(chǎn)生相減后的小波近似采樣流，將所述接收的小波細(xì)部采樣和所述啁啾小波細(xì)部采樣相應(yīng)的部分相減，以產(chǎn)生相減后的小波細(xì)部采樣流，執(zhí)行所述相減后小波近似流和相減后小波細(xì)部采樣流的逆小波變換，以產(chǎn)生所述數(shù)字采樣的變更的第一輸入流，其中上述直接信號(hào)干擾成分被衰減。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述接收器裝置包括與所述第一換能器相似的偽聲學(xué)換能器，并且其中所述偽和第一聲學(xué)換能器被布置在與發(fā)射器裝置基本上相同的距離處，所述偽換能器被聲學(xué)屏蔽了大氣回聲，但是和第一換能器一樣適于接收所述干擾的直接信號(hào)和環(huán)境噪聲成分，并且其中權(quán)利要求1或2的方法包括以下步驟產(chǎn)生數(shù)字采樣的變更的第一輸入流，其中所述數(shù)字采樣的第一輸入流中的所述直接信號(hào)和環(huán)境噪聲成分被衰減，并且利用所述變更的第一輸入流產(chǎn)生所述復(fù)數(shù)傅立葉變換，產(chǎn)生所述變更的輸入流的步驟包括以下子步驟執(zhí)行所述數(shù)字采樣的第一輸入流的小波變換，以產(chǎn)生采樣的分離的接收的小波近似流和接收的小波細(xì)部流，利用所述偽換能器產(chǎn)生表示由所述偽換能器接收的所述直接發(fā)射和噪聲的偽模擬電子接收信號(hào)，采樣所述偽模擬信號(hào)，以產(chǎn)生表示偽模擬信號(hào)瞬時(shí)幅度的數(shù)字采樣偽流，該數(shù)字采樣偽流包括由于直接信號(hào)和環(huán)境噪聲干擾產(chǎn)生的信號(hào)成分，執(zhí)行所述數(shù)字采樣偽流的小波變換，以產(chǎn)生采樣的分離的偽小波啁啾近似流和偽小波啁啾細(xì)部流，將所述接收的小波近似采樣和所述偽近似采樣相應(yīng)的部分相減，以產(chǎn)生相減后的小波近似采樣流，將所述接收的小波細(xì)部采樣和所述偽小波細(xì)部采樣相應(yīng)的部分相減，以產(chǎn)生相減后的小波細(xì)部采樣流，執(zhí)行所述相減后的小波近似采樣流和相減后的小波細(xì)部采樣流的逆小波變換，以產(chǎn)生所述數(shù)字采樣的變更的第一輸入流，其中上述直接信號(hào)和環(huán)境噪聲干擾成分被衰減。
6.根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，包括使所述幅度采樣的輸出流通過(guò)幅度小波濾波器，以實(shí)現(xiàn)表示干擾的雜散成分的所述幅度采樣不規(guī)則部分被削波的步驟。
7.一種使用聲學(xué)發(fā)射器裝置和接收器裝置聲學(xué)探測(cè)一定高度范圍上的低層大氣的方法，該方法包括以下步驟利用所述聲學(xué)發(fā)射器裝置向低范圍的低層大氣中發(fā)射聲學(xué)啁啾(如這里理解的那樣)，利用所述聲學(xué)接收器裝置檢測(cè)聲學(xué)輸入信號(hào)，并產(chǎn)生表示所述輸入信號(hào)的接收器輸出，所述聲學(xué)輸入信號(hào)和所述接收器輸出各包括由于(i)在所述啁啾發(fā)射期間及之后從大氣返回的所述啁啾的回聲的成分，(ii)包括從發(fā)射器裝置直接接收到而沒有從大氣返回的直接啁啾信號(hào)、環(huán)境聲學(xué)噪聲和返回的回聲雜散成分的干擾的成分，以及利用匹配濾波器提取回聲信息以及從中產(chǎn)生表示與范圍對(duì)應(yīng)的大氣異常的信號(hào)幅度和/或相位數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，包括在利用所述匹配濾波器之前，使所述接收器輸出通過(guò)小波濾波器以衰減所述干擾的直接信號(hào)和環(huán)境噪聲成分的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，包括使所述信號(hào)幅度數(shù)據(jù)通過(guò)小波濾波器以衰減所述干擾的雜散成分的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，包括在利用所述匹配濾波器之前，產(chǎn)生具有衰減的干擾成分的變更的接收器輸出的步驟，產(chǎn)生所述變更的接收器輸出的步驟包括以下子步驟執(zhí)行所述接收器輸出的小波變換，以產(chǎn)生接收的小波近似信號(hào)和接收的小波細(xì)部信號(hào)，執(zhí)行所述發(fā)射的啁啾的小波變換，以產(chǎn)生小波啁啾近似信號(hào)和小波啁啾細(xì)部信號(hào)，將所述接收的小波近似信號(hào)和所述啁啾近似信號(hào)相減，以產(chǎn)生相減后的小波近似信號(hào)，將所述接收的小波細(xì)部和所述啁啾小波細(xì)部信號(hào)相應(yīng)的部分相減，以產(chǎn)生相減后的小波細(xì)部信號(hào)，執(zhí)行所述相減后的小波近似和相減后的小波細(xì)部信號(hào)的逆小波變換，以產(chǎn)生所述數(shù)字采樣的變更的第一輸入流，其中上述直接信號(hào)干擾成分被衰減。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，包括以下步驟使用該接收器裝置檢測(cè)第一聲學(xué)輸入，包括從所發(fā)射的啁啾沿第一方向返回的回聲，以產(chǎn)生與所述第一聲學(xué)輸入相關(guān)的第一接收器輸出，使用該接收器裝置檢測(cè)第二聲學(xué)輸入，包括從所發(fā)射的啁啾沿第二方向返回的回聲，以產(chǎn)生與所述第二聲學(xué)輸入相關(guān)的第二接收器輸出，而且所述第二方向與所述第一方向基本上相反，利用所述匹配濾波器產(chǎn)生包括來(lái)自所述第一接收器輸出的相位相關(guān)成分的第一相位信號(hào)，利用所述匹配濾波器產(chǎn)生包括來(lái)自所述第二接收器輸出的相位相關(guān)成分的第二相位信號(hào)，處理所述第一和第二相位信號(hào)，以產(chǎn)生與范圍內(nèi)空氣特性相關(guān)的數(shù)據(jù)。
11.一種在聲學(xué)探測(cè)一定高度范圍上的低層大氣中使用的裝置，包括聲學(xué)發(fā)射器裝置，發(fā)射器驅(qū)動(dòng)裝置，用于產(chǎn)生聲學(xué)啁啾信號(hào)，并且通過(guò)所述發(fā)射器裝置使所述啁啾信號(hào)被傳播到大氣中，聲學(xué)接收器裝置，適于在啁啾進(jìn)行傳播的同時(shí)檢測(cè)所傳播的啁啾信號(hào)的回聲，并適于產(chǎn)生代表所述檢測(cè)到的回聲和伴隨的干擾的輸入信號(hào)，所述干擾包括檢測(cè)到的未從大氣反射的直接啁啾信號(hào)，還包括環(huán)境噪聲和回聲雜散，小波濾波器裝置，被連接以用于接收所述輸入信號(hào)和接收啁啾信號(hào)的電子參考拷貝，所述濾波器裝置適于使用所述拷貝來(lái)衰減所述輸入信號(hào)中所檢測(cè)到的直接信號(hào)，以產(chǎn)生變更的輸入信號(hào)，以及匹配濾波器裝置，被連接以用于接收所述參考信號(hào)和所述變更的信號(hào)，以從中提取相位和幅度數(shù)據(jù)，而且所述數(shù)據(jù)表示范圍內(nèi)的大氣的特性。
12.一種在聲學(xué)探測(cè)一定高度范圍上的低層大氣中使用的裝置，包括聲學(xué)發(fā)射器裝置，發(fā)射器驅(qū)動(dòng)裝置，用于產(chǎn)生聲學(xué)啁啾信號(hào)，并且通過(guò)所述發(fā)射器裝置使所述啁啾信號(hào)被傳播到大氣中，第一聲學(xué)接收器裝置，適于在啁啾進(jìn)行傳播的同時(shí)檢測(cè)所傳播的啁啾信號(hào)的回聲，并適于產(chǎn)生代表所述檢測(cè)到的回聲和伴隨的干擾的第一輸入信號(hào)，所述干擾包括檢測(cè)到的未從大氣反射的直接啁啾信號(hào)，還包括環(huán)境噪聲和回聲雜散，匹配濾波器裝置，被連接以用于接收輸入信號(hào)和所述來(lái)自驅(qū)動(dòng)器的啁啾信號(hào)的電子拷貝，以及適于從中提取回聲幅度信號(hào)，小波濾波器裝置，被連接以用于接收所述幅度信號(hào)，并且所述濾波器裝置適于在小波域中削波不規(guī)則幅度信號(hào)，以減少幅度信號(hào)中的回聲雜散。
全文摘要
一種用于低層大氣聲學(xué)探測(cè)的方法和系統(tǒng)，包括聲學(xué)啁啾的發(fā)射和使用小波和匹配濾波器技術(shù)對(duì)返回的回聲和干擾的處理?？梢允褂脝蝹€(gè)發(fā)射器和四個(gè)接收器，其中接收器位于與發(fā)射器等距的羅盤方位點(diǎn)上。N、S、E及W輸入和發(fā)射器的啁啾信號(hào)(R或D)一起被數(shù)字化并輸入小波濾波器(50)，用于衰減直接信號(hào)和環(huán)境噪聲信號(hào)。干擾衰減后的信號(hào)然后在匹配濾波器(52)中被處理，以提取相位和幅度輸出(54和56)，該相位輸出被展開(70)。N與S相位信號(hào)以及E與W相位信號(hào)然后各自被相減(74和80)，其結(jié)果用于計(jì)算(86和92)風(fēng)速和風(fēng)向。在被存儲(chǔ)之前，所提取的幅度信號(hào)(56)被連同范圍門限(96)內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)一起通過(guò)第二小波濾波器(58)，以消除回聲雜散干擾。
文檔編號(hào)G01P5/00GK1781032SQ200480011246
公開日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2004年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月26日
發(fā)明者安德魯·路易斯·馬丁 申請(qǐng)人:電信網(wǎng)絡(luò)信息有限公司