專利名稱：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)明涉及用于在低層大氣中進(jìn)行探測(cè)的聲雷達(dá)方法和裝置，并且特別 適用于由位于發(fā)射機(jī)附近的一個(gè)或多個(gè)接收機(jī)檢測(cè)后向散射回聲的"收發(fā)合 置"系統(tǒng)。不過(guò)，根據(jù)一些實(shí)施例，本發(fā)明還適用于由遠(yuǎn)離發(fā)射機(jī)(相對(duì)于 探測(cè)范圍的距離)的一個(gè)或多個(gè)接收機(jī)檢測(cè)前向散射回聲的"收發(fā)分置"系 統(tǒng)。應(yīng)該理解，本領(lǐng)域中可以發(fā)現(xiàn)術(shù)語(yǔ)收發(fā)合置和收發(fā)分置的更狹義的應(yīng) 用，其中"收發(fā)合置"表示發(fā)射和接收使用相同天線的系統(tǒng)(如同在雷達(dá)中 很普遍的那樣)，而"收發(fā)分置"用于發(fā)射天線和接收天線分開(kāi)的系統(tǒng)。這 種狹義的應(yīng)用不利于可以采用"發(fā)送-收聽(tīng)-同時(shí)，，技術(shù)的聲雷達(dá)，因此此處 并未使用。在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)"啁啾(chirp)"被用作對(duì)聲雷達(dá)探測(cè)中所使用的號(hào)的返回回聲分量的方式進(jìn)行編碼或調(diào)制。
技術(shù)背景在我們先前的美國(guó)專利6,755,080和我們先前的國(guó)際專利申請(qǐng) PCT/AU2002/01129、 PCT/AU2004/00175及PCT/AU2004/00242中，通過(guò)利 用i)長(zhǎng)啁啾，ii)發(fā)送與接收重疊的"發(fā)送-收聽(tīng)-同時(shí)"技術(shù)，以及iii) 利用對(duì)啁啾的編碼進(jìn)行匹配濾波，以從所接收的信號(hào)中提取回聲數(shù)據(jù)，處理 了 (address)聲雷達(dá)中低信噪(s/n)比的中心問(wèn)題。該專利及這些申請(qǐng)中 對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的討論合并于此。在本發(fā)明的上下文中，"長(zhǎng)"探詢或發(fā)送脈沖被認(rèn)為是在接收所關(guān)注的第一回聲之前還沒(méi)有結(jié)束的那個(gè)啁啾，因此需要發(fā)送-收聽(tīng)-同時(shí)技術(shù)。不容置疑地，優(yōu)選帶寬為3-10kHz且在100ms與幾十秒之間的啁啾。我們的發(fā)送 -收聽(tīng)-同時(shí)技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于i)通過(guò)利用長(zhǎng)啁啾，可以獲得非常大的處 理增益，ii)不再需要與短脈沖相關(guān)的高峰值功率；以及iii)消除了對(duì)發(fā)送 然后收聽(tīng)聲雷達(dá)的范圍和功率限制。我們發(fā)現(xiàn)，發(fā)送-收聽(tīng)-同時(shí)技術(shù)在收發(fā) 分置聲雷達(dá)中完全實(shí)用，這是因?yàn)榈头逯蛋l(fā)送功率、高動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)麥克 風(fēng)、接收機(jī)對(duì)直接信號(hào)良好的聲屏蔽以及高系統(tǒng)處理增益的組合使得易于檢 測(cè)直接信號(hào)"后面，，的回聲。(所述直接信號(hào)為在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間直接 進(jìn)行傳送而不被大氣反射的信號(hào)。)我們先前的專利申請(qǐng)公開(kāi)了其它有利的聲雷達(dá)技術(shù)，例如，對(duì)多個(gè)匹配 接收機(jī)的輸出進(jìn)行選擇性地組合以基本消除不期望的信號(hào)分量的技術(shù)，以及 特有的處理所提取的回聲數(shù)據(jù)以為氣象學(xué)家和空中交通控制器生成取值信 息的方法。雖然我們先前的專利申請(qǐng)并不局限于利用傅立葉或頻域匹配濾波 器技術(shù)，所述實(shí)際示例卻例示性地提供這些技術(shù)，原因如下i)實(shí)現(xiàn)時(shí)域 匹配濾波器方法屬于計(jì)算上的要求，而且無(wú)法在使用長(zhǎng)啁啾時(shí)即時(shí)生成可視 化顯示，以及ii)在多普勒回聲分量重要的情況下，時(shí)域匹配濾波器方法較 之計(jì)算上高效的傅立葉方法要差?，F(xiàn)在我們意外地發(fā)現(xiàn)，在收發(fā)分置系統(tǒng)和收發(fā)合置系統(tǒng)中無(wú)需過(guò)大的計(jì) 算能力就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域匹配濾波器對(duì)接收信號(hào)的適當(dāng)處理。我們還發(fā)現(xiàn)，兩 個(gè)其它因素對(duì)此有利，尤其是在更復(fù)雜的收發(fā)合置系統(tǒng)中 一個(gè)因素是關(guān)注 發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)的排布和校準(zhǔn)，另一個(gè)是利用窄帶寬啁啾。這樣，在利用 帶有FM (頻率調(diào)制)或DM (數(shù)字調(diào)制)啁啾的時(shí)域匹配濾波時(shí)，這些因 素似乎對(duì)從所接收的信號(hào)恢復(fù)多普勒分量有明顯的改進(jìn)。實(shí)際上，這些因素 還改進(jìn)了利用編碼的啁啾和傅立葉頻域匹配濾波的聲雷達(dá)系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明在發(fā)送-收聽(tīng)-同時(shí)的聲雷達(dá)中對(duì)所接收的聲雷達(dá)信號(hào)采用時(shí)域、匹配濾波。優(yōu)選地，所述匹配濾波采用復(fù)數(shù)技術(shù)(即，利用 實(shí)值和正交值)來(lái)生成振幅和相位回聲信息，不過(guò)在僅有回聲振幅信息就足 夠的情況下可以采用非復(fù)數(shù)的處理。在采用復(fù)數(shù)處理的情況下，可以-使時(shí)間 采樣后的接收信號(hào)的復(fù)共軛與發(fā)送信號(hào)的復(fù)共軛互相關(guān)，以便削弱信號(hào)噪聲 并且提高回聲信號(hào)分量，從而得出回聲相位和振幅數(shù)據(jù)，可以對(duì)所述數(shù)據(jù)進(jìn) 行有效處理以便將取值的輸出提供給氣象學(xué)家，正如我們先前專利申請(qǐng)中所 教導(dǎo)的那樣。無(wú)論是時(shí)間采樣后的發(fā)送信號(hào)還是接收信號(hào)都可以在相關(guān)之前 進(jìn)行巻積，以增強(qiáng)辨別力。實(shí)際上，既可以實(shí)現(xiàn)巻積式匹配濾波器又可以實(shí) 現(xiàn)非巻積式匹配濾波器，并且可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較和選擇。這在返回信號(hào)包 含明顯多普勒分量的情況下非常有利。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在形成接收信號(hào)復(fù)共軛之前或之后，雖然不是必需的， 但是所期望的是使所接收的信號(hào)經(jīng)受利用傅立葉技術(shù)的帶通濾波或至少低 通濾波。雖然這種濾波之前已具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但是我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)實(shí)共扼和正 交共軛接收機(jī)數(shù)據(jù)流分開(kāi)濾波更為可取。根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及利用雖然不是必需的，但優(yōu)選小于500Hz 的窄帶寬啁啾以及所發(fā)送信號(hào)與所接收信號(hào)的時(shí)域相關(guān)性。這種組合看來(lái)具 有有效的協(xié)同作用。不過(guò)，有關(guān)啁啾持續(xù)時(shí)間的問(wèn)題與我們先前專利申請(qǐng)中 所論述的相比并沒(méi)有改變。也就是說(shuō)， 一方面在脈沖持續(xù)時(shí)間與s/n之間具 有重要的折衷，而另一方面(給定系統(tǒng)速度下的)計(jì)算負(fù)載似乎未受太大影 響。雖然不是必需的，但優(yōu)選的是，無(wú)論是數(shù)字調(diào)制(DM)還是頻率調(diào)制 (FM)的啁啾，其帶寬與中心頻率之比均小于0.35,優(yōu)選小于0.25，而最 優(yōu)選為小于0.2。可以發(fā)現(xiàn)，低于0.04太多是不期望的。因此，對(duì)許多系統(tǒng) 來(lái)說(shuō)，啁啾帶寬與中心頻率之比的最佳范圍位于0.04和0.2之間，優(yōu)選位于 0.05和0.01之間。在這些范圍內(nèi)的啁啾被稱為"窄啁。秋"。當(dāng)啁啾帶寬降 至使所述比低于0.05時(shí)，系統(tǒng)的分辨率開(kāi)始急劇惡化，使得在啁啾帶寬與 中心頻率之比為0.02的情況下，所述分辨率嚴(yán)重惡化。這樣形成啁啾帶寬的應(yīng)用下限。下i)與直覺(jué)相反，期望利用具有比先前被視為有效的帶寬更少周期的探 詢信號(hào)(即明顯少的信息)獲得更好的分辨能力，以及ii)科學(xué)文獻(xiàn)并未提 出在寬頻帶內(nèi)聲雷達(dá)系統(tǒng)的性能很大程度上與脈沖帶寬無(wú)關(guān)。對(duì)這種不可思 議的現(xiàn)象我們已經(jīng)研究了 一段時(shí)間，并且現(xiàn)在確信它與大氣的固有特性有 關(guān)，該特性以有利于剛提到的匹配濾波器處理的類型的方式影響返回回聲的 相位相干性。雖然下文中提供這種推論的一些科學(xué)依據(jù)，但是這種闡述的正 確性并不影響在聲雷達(dá)中利用窄啁啾所提供的益處發(fā)現(xiàn)的有效性，而且也不 影響以上所勾勒的本發(fā)明的權(quán)利要求或保護(hù)范圍。雖然設(shè)想可以利用簡(jiǎn)單的 線性FM發(fā)送啁啾，例如頻率隨著時(shí)間線性上升或下降的啁啾，但是本發(fā)明 的另一方面涉及音頻載波信號(hào)的非線性調(diào)制，以便產(chǎn)生適合對(duì)所接收信號(hào)進(jìn) 行匹配濾波處理的啁啾。本發(fā)明的上下文特別關(guān)注的是適合在時(shí)域中進(jìn)行脈 沖壓縮和匹配濾波處理的帶寬受限的非線性啁啾。例如，可以在比上述我們 先前專利申請(qǐng)中實(shí)際設(shè)想低得多的采樣速率(數(shù)據(jù)點(diǎn))下，以實(shí)現(xiàn)接收后脈的啁啾進(jìn)行相移鍵控(調(diào)制)。這使得利用目前可用的個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC) 實(shí)現(xiàn)回聲數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理完全可行。具體地說(shuō)，這種非線性調(diào)制啁嗽包括展 示脈沖壓縮特性的DM啁啾，這些啁啾的基本原理是眾所周知的。而且如同我們先前的專利中公開(kāi)的那樣，多個(gè)接收機(jī)可以等距地分布在 以發(fā)射機(jī)為中心的周?chē)?，以便各個(gè)接收機(jī)接收的直接信號(hào)本質(zhì)上相同，但接 收的回聲信號(hào)不同。這允許對(duì)所接收的信號(hào)求和或求差，從而削弱直接信號(hào) 并加強(qiáng)所選擇的回聲信號(hào)的分量。 一種方便的排布結(jié)構(gòu)是采用四個(gè)位于發(fā)射 機(jī)周?chē)_盤(pán)的方位基點(diǎn)的接收機(jī)，所述發(fā)射機(jī)鉛垂指向，而且各接收機(jī)沿其 相應(yīng)基本羅盤(pán)軸成一定的角度指向。這大大簡(jiǎn)化了風(fēng)速和風(fēng)切變的計(jì)算。不過(guò)根據(jù)另一方面，本發(fā)明基于這樣的認(rèn)識(shí)，即我們先前前的專利申請(qǐng) 中所公開(kāi)的多接收機(jī)排布結(jié)構(gòu)的性能可被接收機(jī)和發(fā)射機(jī)旁瓣的影響所損害，尤其是在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一個(gè)碟形天線的情況下。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)， 即使在每個(gè)接收機(jī)使用單獨(dú)碟形天線的情況下，接收機(jī)和/或發(fā)射機(jī)旁瓣可 以明顯損害系統(tǒng)性能。根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)方面，多個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)成對(duì)排 布，每對(duì)中相應(yīng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)本質(zhì)上沿相同的軸指向，以使它們的主天 線波瓣重合。此外，優(yōu)選(但不是必需的)采用四個(gè)發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)，每 對(duì)分布在彼此不同的基本羅盤(pán)軸上，每對(duì)的軸沿著相應(yīng)的羅盤(pán)軸與鉛垂線成 一角度，對(duì)立的接收機(jī)-發(fā)射機(jī)對(duì)的軸相對(duì)于彼此向相反的方向傾斜。可以采用具有豎直軸的第五發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)來(lái)幫助測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)切 變(以及其它因素)中的豎直分量。方便地，該第五發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)可以 排布在其它四個(gè)發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)的圓形陣列的中心。非常期望的是，每對(duì)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均具有自己?jiǎn)为?dú)的反射碟形天 線，而且所述對(duì)中的兩個(gè)碟形天線間隔一定的距離并優(yōu)選利用環(huán)境隔音板來(lái) 彼此隔離聲音，從而(i)結(jié)合聲換能器建立期望的主天線波瓣，以及(ii) 有效地削弱相應(yīng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的直接信號(hào)傳輸。這還將確保來(lái)自所述 陣列中的其它各發(fā)射機(jī)的直接信號(hào)也在被各接收機(jī)檢測(cè)之前得到明顯的削弱。所述陣列中的發(fā)射機(jī)_接收機(jī)對(duì)可以單獨(dú)依次激活，或一次全部地激 活，或者兩個(gè)或兩個(gè)以上組合同時(shí)激活。雖然一次一個(gè)操作具有如下優(yōu)勢(shì)， 即其它任何發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的直接或回聲信號(hào)均不能被單個(gè)有效接收機(jī)檢測(cè)到，但是這會(huì)增加5倍的系統(tǒng)循環(huán)時(shí)間。我們發(fā)現(xiàn)，只要確保直接信號(hào)足夠 的無(wú)源衰減(passive attenuation)、發(fā)射和接收束受限制以及指向角度 (pointing angle )的擴(kuò)展，則所有發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的同時(shí)激活是完全可行的。 雖然較大的指向角擴(kuò)展可降低來(lái)自 一個(gè)發(fā)射機(jī)的回聲被其所屬對(duì)之外的接 收機(jī)檢測(cè)到的可能性，但是它們還導(dǎo)致系統(tǒng)精度的損失，這是因?yàn)樗鼋邮?機(jī)會(huì)指向天空中分開(kāi)很遠(yuǎn)的部分。因此，從系統(tǒng)相干性的觀點(diǎn)來(lái)看，優(yōu)選使 所有發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的指向角緊密地聚成一束，即位于只有幾度的錐形之 內(nèi)，以及采取任何適用于減小由直接信號(hào)和不期望回聲引起的干擾的措施。最佳的錐角隨系統(tǒng)的范圍和目的而有所變化，所述錐角一般與范圍反向變 化。相對(duì)較大地錐角，比方說(shuō)大于10度的錐角，通常不適合于大范圍的系 統(tǒng)，這是由于陣列中不同的接收機(jī)會(huì)充分探尋天空中彼此距離幾百米的部分。如同已經(jīng)提到的，非常有利的是對(duì)每個(gè)向量(包括豎直方向)采用單獨(dú) 的發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)，從而使發(fā)射機(jī)/接收機(jī)天線旁瓣的影響最小化。通過(guò) 利用窄帶寬來(lái)有效地參與維護(hù)所接收信號(hào)的相位相關(guān)性以及利用精確最優(yōu) 化(減小)的采樣數(shù)目，這些優(yōu)勢(shì)可以得到進(jìn)一步地增強(qiáng)。無(wú)論是采用線性FM啁嗽和傅立葉匹配濾波技術(shù)，還是采用DM啁啾和時(shí)域匹配濾波/相關(guān)技 術(shù)，都可以呈現(xiàn)這些益處。 本發(fā)明的示例已經(jīng)描繪本發(fā)明的特點(diǎn)，現(xiàn)在將參照附圖描述特定示例。不過(guò)，本領(lǐng)域 的技術(shù)人員將理解，在符合所附權(quán)利要求書(shū)中所限定的本發(fā)明的保護(hù)范圍的 同時(shí)，可以對(duì)所選示例進(jìn)行多種改變和修改。


在附圖中圖1A是示出形成第一示例中大氣回聲探測(cè)器的五個(gè)發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)陣 列的示意平面圖；圖1B是沿圖1A中的中心線B-B所取的陣列的示意側(cè)視圖， 圖1A和圖1B均未按比例繪制。圖2是時(shí)域匹配濾波器信號(hào)處理系統(tǒng)的框圖，該系統(tǒng)包括適合以圖1A和 圖1B陣列中的豎直發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)和線性FM啁啾的方式使用的系統(tǒng)第一 示例。圖3是以圖表示出所接收的信號(hào)在匹配濾波器中處理之前的預(yù)處理時(shí)中所選步驟的三條曲線(a) 、 (b)和(c)的系列。圖4是示出信號(hào)處理系統(tǒng)的第二示例的框圖，所述系統(tǒng)利用數(shù)字編碼啁啾并采用適合以圖1A和圖1B陣列中的豎直發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)的方式使用的時(shí)域匹配濾波器和傅立葉域匹配濾波器。圖5為示出二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制的兩條曲線(a)和(b),其中 曲線(a)示出二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)部分，而圖(b)示出對(duì)應(yīng)的模擬發(fā)射DM啁啾 信號(hào)部分。圖6是示出一種產(chǎn)生具有最大長(zhǎng)度的BPSK脈沖壓縮碼的方法的圖表，用 在生成展示脈沖壓縮特性的DM啁啾中。圖7是示出圖6中的DM啁啾的頻語(yǔ)的曲線。圖8是與圖7類似的曲線，該曲線示出降頻轉(zhuǎn)換后的DM啁啾，也示出低 通濾波的效果。圖9是示出圖2和圖4系統(tǒng)中的時(shí)域匹配濾波相關(guān)器的操作的示意圖。 圖IO是示出圖4系統(tǒng)中的傅立葉頻域匹配濾波的操作的示意圖。 圖11是利用時(shí)域匹配濾波器輸出，從圖4系統(tǒng)中獲得的豎直風(fēng)速隨高度 變化的曲線。
具體實(shí)施方式
圖1A的概略平面圖和圖1B的正視圖中示出所選示例中的發(fā)射機(jī)-接 收機(jī)陣列10。圖1B的豎直尺寸進(jìn)行了很大壓縮。陣列10包括類似星形排 布的5個(gè)發(fā)射機(jī)-接收機(jī)單元對(duì)，其中有四對(duì)中的每對(duì)分別位于羅盤(pán)的方位 基點(diǎn)， 一對(duì)位于中心。由于外圍的單元對(duì)均勻分布，所以它們可以被認(rèn)為是 分布在ll指示的圓周上?？梢岳斫?，兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)可以位于這樣的圓周上。發(fā)射機(jī)單元用字母T表示，接收機(jī)單元用 字母R表示，下標(biāo)n、 s、 e和w表示相應(yīng)發(fā)射才幾和接收才幾所位于的羅經(jīng)點(diǎn) 以及它們與鉛垂線所成角度的方向。下標(biāo)v表示鉛垂向上指向的中心發(fā)射機(jī) 單元(Tv)和接收機(jī)單元(Rv)。該示例中的每個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)單元包括中心換能器12，該換能器12 排布在端面向上的聲反射器碟形天線14之上，該碟形天線14位于僅在頂部 開(kāi)口的高質(zhì)量隔音板16之中。隔音板16用于抑制天線旁瓣，并用于大大削弱發(fā)射機(jī)單元和其它接收機(jī)之間的直接(水平和地面)信號(hào)。方便地，每個(gè) 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的換能器12由既能夠用作擴(kuò)音器(發(fā)射機(jī)換能器)又用作 麥克風(fēng)(接收機(jī)換能器)的尋呼喇叭單元構(gòu)成。這種尋呼喇叭通常具有音頻壓縮驅(qū)動(dòng)器，并且從利用日本的Toa得到，例如由模型SC-610/SC、SC-615/SC 和SC-630得到。由于這些喇叭自身具有反射器喇叭，所以可以利用它們來(lái) 代替碟形天線14。不過(guò)在該示例中，所需要的是強(qiáng)大、緊密聚集的主要或 中心天線信號(hào)波瓣，因此除了換能器單元12的喇叭以及上述隔音板16之外， 還利用直徑大約為1.8m的碟形天線14。圖1B是沿圖1A中截面B-B所取的圖1A的陣列10的概略前3見(jiàn)圖，并 且表示東向、豎直和西向發(fā)射機(jī)/接收機(jī)對(duì)的主要天線波瓣，所述主要波瓣 或中心波瓣相對(duì)于相關(guān)聯(lián)的天線旁瓣用粗線示出。18表示地面。(由于銷(xiāo) 售的限制，不能正確地描述主瓣的重疊角度，而且只能示出所選擇的旁瓣。) 東向、豎直和西向發(fā)射才幾的主瓣以Tem、 Tvm和Twm表示，而它們相應(yīng)的 旁瓣以Tes、 Tvs和Tws表示。接收機(jī)的主瓣和旁瓣用相應(yīng)的方式表示。(注 意，由于圖1A中的剖面線B-B實(shí)際并不通過(guò)豎直發(fā)射機(jī)Tv和豎直接收機(jī) Rv,所以Tv和Rv用虛線表示。)由于陣列IO意在航空站附近約lkm范圍內(nèi)的短距離大氣探測(cè)，所以n、 s、 e和w發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)關(guān)于圓周11徑向向外傾斜并且朝向其相應(yīng)的羅 盤(pán)方向，與鉛垂線大約成8。，在有些情況下傾斜5。到10°之間是正常角 度。通過(guò)適當(dāng)選擇換能器、反射器尺寸、隔音板質(zhì)量以及單元中發(fā)射機(jī)與接 收機(jī)之間的間隔，每個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)單元中主瓣的夾角約為±5° ,盡管 ±3。和±10°之間是正常角度，但是優(yōu)選士5。。這使得單元中發(fā)射機(jī)和接 收機(jī)的主瓣在至少90%的范圍內(nèi)基本一致，任一單元的旁瓣都不會(huì)明顯干 擾其它單元的主瓣。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這能明顯提高返回回聲中多普勒信息的可檢 測(cè)性及其質(zhì)量。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)經(jīng)由發(fā)射機(jī)旁瓣發(fā)射的直接信號(hào)或經(jīng)由接收機(jī)旁瓣 返回的回聲信號(hào)能夠降低多普勒信息的質(zhì)量。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，聲雷達(dá)系統(tǒng)中的這種天線陣列在性能上優(yōu)于在四個(gè)有角度的接收機(jī)的中心具有單個(gè)鉛垂指向的發(fā)射機(jī)的陣列，尤其是在接收機(jī)換能器共 享一公用反射器碟形天線的情況下。不過(guò)該示例中的陣列IO需要更多的發(fā) 射機(jī)單元，因此需要更多地關(guān)注對(duì)接收機(jī)的來(lái)自多個(gè)直接信號(hào)的聲屏蔽，尤 其是在期望使循環(huán)(更新)時(shí)間最小化而同時(shí)運(yùn)行所有發(fā)射機(jī)的情況下。在 該示例的陣列中，所有發(fā)射機(jī)同時(shí)運(yùn)行并發(fā)出相同啁啾，而所有接收才幾對(duì)于 所發(fā)送的每個(gè)啁啾在同 一 收聽(tīng)時(shí)段被激活?，F(xiàn)在將描述用于運(yùn)行例如圖1A和圖IB中豎直發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)Tv、 Rv的信號(hào)處理系統(tǒng)的示例。圖2的系統(tǒng)采用線性頻率調(diào)制啁啾作為利用時(shí) 域匹配濾波的啁啾，而圖5的系統(tǒng)采用數(shù)字調(diào)制啁啾以及時(shí)域和頻域匹配濾 波。雖然將相對(duì)于豎直發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)描述這些系統(tǒng)，但是將會(huì)理解，對(duì) 于每個(gè)發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)來(lái)說(shuō)(每對(duì)均利用單獨(dú)的PC，并利用主PC整理并 顯示所有的輸出)，可以完全復(fù)制所示出的系統(tǒng)。與每對(duì)相關(guān)聯(lián)的PC通常 能夠顯示相應(yīng)接收機(jī)所檢測(cè)的回聲，以用于檢驗(yàn)性能。圖2中的信號(hào)處理系統(tǒng)通常用30表示，并采用時(shí)域匹配濾波器32來(lái)處 理所接收的信號(hào)，并且呈現(xiàn)分離的振幅和相位分量作為線路34和36上的采 樣流，而以圖形形式操縱并顯示在PC38上。豎直發(fā)射機(jī)單元Tv (現(xiàn)在以 40表示)生成音調(diào)形式的線性頻率調(diào)制聲啁啾42,其在37s的時(shí)段內(nèi)從 1300Hz線性增加到1600Hz，這代表300Hz的標(biāo)稱帶寬或中間載波音調(diào)的大 約20%。通常情況下幾瓦的音頻功率就足夠。假定所關(guān)注的是1千米的范 圍，則將需要總共43s的收聽(tīng)時(shí)間來(lái)確保完整的37s的回聲從lkm的高度處 返回所需要的時(shí)間，也就是說(shuō)，接收機(jī)將需要在啁啾傳輸?shù)恼麄€(gè)37s中收聽(tīng) 加上另外的6s用于返回回聲。發(fā)射機(jī)單元40由線路44上的模擬電信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)，所述模擬電信號(hào)具有 曲線46所表示的形狀并且由壓控振蕩器48生成，壓控振蕩器48在由PC38 得出的輸入線^各51上被供給以曲線50所表示的上升DC電壓。豎直發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)中的豎直接收機(jī)單元Rv (現(xiàn)在以52表示)檢測(cè) 從大氣返回的啁啾42的由箭頭54表示的微弱回聲信號(hào)，連同來(lái)自發(fā)射機(jī)40的較大直接音頻信號(hào)以及外界環(huán)境噪聲，二者一起用大箭頭56表示。43s 持續(xù)時(shí)間內(nèi)的合成電模擬接收信號(hào)輸出在線路58上，并在預(yù)處理器59中轉(zhuǎn) 換成復(fù)數(shù)數(shù)字信號(hào)(即具有同相分量I和正交分量Q)，以輸入至匹配濾波 器32。模擬接收信號(hào)首先通過(guò)A/D (模擬-數(shù)字)轉(zhuǎn)換器60，在線路62上 發(fā)出信號(hào)而開(kāi)始傳輸啁啾42時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器60在43s的時(shí)段內(nèi)以96k/s對(duì) 所輸入的接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。方便地，將線路64上的數(shù)字化輸出看作是 由37s的啁啾持續(xù)時(shí)間期間所獲取的N個(gè)采樣以及在另外的6s收聽(tīng)時(shí)間期 間所獲取的M個(gè)采樣組成。因此在該示例中，從每個(gè)啁嗽中將生成3.552 x 1(^N個(gè)采樣和5.76x 1()SM個(gè)采樣。然后，在數(shù)字信號(hào)處理器中操縱這種數(shù) 字接收信號(hào)，該處理器包括圖2中所示的其它電路或系統(tǒng)?，F(xiàn)在應(yīng)該參見(jiàn)圖3以及圖2。由于線路64上的N+M個(gè)采樣流需要轉(zhuǎn)換 成用于匹配濾波器32的復(fù)數(shù)形式(即具有實(shí)部和虛部，通常表示成I和Q)， 因此利用從基準(zhǔn)振蕩器70和A/D轉(zhuǎn)換器71 (以96kHz與A/D轉(zhuǎn)換器58同 步工作)得出的1700Hz基準(zhǔn)信號(hào)的數(shù)字余弦和正弦形式，并通過(guò)相應(yīng)的采 樣進(jìn)行采樣，將其供給數(shù)字余弦乘法器66和數(shù)字正弦乘法器68并進(jìn)行乘法 (以模擬項(xiàng)進(jìn)行混頻)。由于每個(gè)乘法器均產(chǎn)生上、下邊帶分量，而且只有 后者是需要的，因此乘法器66和68的輸出被濾波器72和74進(jìn)行低通濾波， 從而生成I輸出流和Q輸出流，I輸出流和Q輸出流在線路76和78上各自 具有N+M個(gè)采樣，供給匹配濾波器32中的相關(guān)器處理80。有效的是，所 檢測(cè)的接收信號(hào)的頻率范圍從1300- 1600Hz進(jìn)行降頻轉(zhuǎn)換，翻轉(zhuǎn)到以數(shù)字 格式的400- 100Hz的范圍，并轉(zhuǎn)換為分離的同相分量和正交分量。混頻器/乘法器66或68的運(yùn)行利用圖3的曲線示出，所述曲線的軸并 沒(méi)有按照比例尺繪制。圖3 (a)的曲線描繪所發(fā)射的啁啾42和返回回聲54 的頻率與時(shí)間的關(guān)系?？梢钥闯觯m然在43s的收聽(tīng)時(shí)間結(jié)束之后還持續(xù)接 收到回聲，但是它們會(huì)被截?cái)唷?為了簡(jiǎn)化，這些截?cái)嗷芈暡⑽丛趫D3中的 曲線(b)和(c)中示出，無(wú)論如何，它們會(huì)被或大部分會(huì)通過(guò)相關(guān)處理來(lái) 被抑制。)圖3 (b)的中心曲線表示線路64上的檢測(cè)信號(hào)(包括直接信號(hào)56 )以及來(lái)自振蕩器70的1700Hz的基準(zhǔn)信號(hào)，乘法器66或68的作用是建 立所示出的上、下邊帶。曲線3 (c)以圖表示出低通濾波器72的作用，其 抑制超出500Hz的所有信號(hào)，包括上邊帶(未用虛線示出)。有效的是，匹配濾波器32在兩組復(fù)數(shù)信號(hào)之間進(jìn)行相關(guān)， 一組是如上 所述經(jīng)過(guò)預(yù)處理器59從所接收的信號(hào)得出的并經(jīng)過(guò)輸入76和78的N+M個(gè) 值，另 一組是從線路44上的電啁啾信號(hào)得出的輸入82和84上的N個(gè)值。 不過(guò)，事實(shí)上在這種情況下輸入82和84相同，而且是為了強(qiáng)調(diào)與I輸入76 和Q輸入78的配對(duì)而以兩條線路示出。輸入82和84以如下方式得出線 路44上的啁啾信號(hào)經(jīng)由線路86通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器88，然后在乘法器90中與 線路92上1700Hz信號(hào)輸入進(jìn)行混頻，并且低通濾波器94選擇所述乘積的 下邊帶，并將其輸出作為兩個(gè)相同的輸入82和84。這些輸入各自具有N個(gè) 在400- 100Hz之間的值，混頻器90以與混頻器66和68相同的方式翻轉(zhuǎn)所述信號(hào)o在對(duì)時(shí)域匹配濾波器32的相關(guān)性功能的運(yùn)行的下列描述中，應(yīng)該參見(jiàn) 圖9以及圖2。該功能由相關(guān)器96來(lái)承擔(dān)，相關(guān)器96在N個(gè)時(shí)延或時(shí)移中 的每一個(gè)上，對(duì)線路76和78上的I和Q輸入中的N+M個(gè)400 _ 100Hz的 值各自與相應(yīng)輸入線路82和84上的400 - 100Hz的啁嗽基準(zhǔn)信號(hào)的N個(gè)值 進(jìn)行M x N次復(fù)lt乘法和加法。N個(gè)時(shí)延或時(shí)移通過(guò)時(shí)域匹配濾波器32的 處理98生成。時(shí)域匹配濾波器32產(chǎn)生線路34和36上的M個(gè)振幅和相位輸出值，從 所述輸出值中可以得出各種大氣參數(shù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，它們與頻域處理所生成的 那些值(如我們先前的專利申請(qǐng)中的示例所示的那樣)稍有不同，并且在特 定的環(huán)境中，優(yōu)選前者。由于給定釆樣的相位分量將指出與先前采樣的遞增 相移，因此通常使相位采樣流經(jīng)受由PC38執(zhí)行的"展開(kāi)功能"，從而生成 表示給定高度上相對(duì)豎直風(fēng)速的累積相位輸出。該相對(duì)風(fēng)速的絕對(duì)值可以通 過(guò)在近地面高度處相對(duì)于所表示的相對(duì)速度來(lái)偏移已知的近地面風(fēng)速而獲 得。PC38對(duì)相位和振幅輸出的進(jìn)一步操縱，可以產(chǎn)生相對(duì)于高度的風(fēng)速、溫度、濕度以及其它重要的大氣參數(shù)的圖形化表示，如同我們先前的專利申 請(qǐng)所教導(dǎo)的那樣。圖4示意表示使用編碼的DM啁啾來(lái)代替FM啁啾的第二示例的系統(tǒng) 200。該示例中的信號(hào)處理器裝置采用頻域匹配濾波器202和時(shí)域匹配濾波 器204 (以提供補(bǔ)充的或可替換的信號(hào)處理方式)，以及接收信號(hào)預(yù)處理器 205。如上所述，我們發(fā)現(xiàn)比較這兩種類型的匹配濾波器的輸出的巨大的優(yōu)在該示例中，通過(guò)豎直發(fā)射機(jī)單元Tv(圖4中表示為208 )發(fā)射的啁畔大 206為1302Hz的數(shù)字調(diào)制BPSK (二進(jìn)制相移鍵控)載波，并且考慮到其 20%的最優(yōu)標(biāo)稱帶寬，建議帶寬為260Hz。不過(guò)，在其-6dB點(diǎn)處的260Hz 帶寬的DM信號(hào)需要在頻譜的第一零點(diǎn)處具有260/0.7 = 371Hz的總帶寬或 工作帶寬。利用比特率為372/2=186/s的調(diào)制數(shù)字信號(hào)可產(chǎn)生372Hz ( ±186 Hz)的帶寬。利用BPSK，每隔7個(gè)循環(huán)周期，1302Hz載波的相位隨二進(jìn) 制數(shù)據(jù)而改變，如圖5所示。這樣提供符合以上所述帶寬的數(shù)字調(diào)制信號(hào)。 通過(guò)利用易于由圖6所示的線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的最大長(zhǎng)度序列，可以 生成具有非常好相關(guān)特性的數(shù)字碼。通過(guò)利用具有13級(jí)的移位寄存器(圖 6),可以生成具有N=(2A13)-1=8191比特的最大長(zhǎng)度序列，并且該序列可 以利用簡(jiǎn)單平衡調(diào)制器用于對(duì)1302Hz的載波進(jìn)行調(diào)制，從而提供8191/186 =44.038秒的傳輸時(shí)間。對(duì)于lkm的范圍來(lái)說(shuō)，接收機(jī)的總收聽(tīng)時(shí)間為 44.038+2 x(lOOO/333"50秒。圖7中的曲線示出BPSK DM啁啾的頻讒，同 時(shí)圖8示出低通濾波的效果。返回至圖4，上述平衡調(diào)制器表示為210,線路212上的1302Hz載波 輸入調(diào)制器210并從振蕩器214中得出，同時(shí)線路216上的二進(jìn)制基準(zhǔn)波形 輸入調(diào)制器210。直接信號(hào)218和回聲信號(hào)220由豎直接收機(jī)單元Rv(此處 以222表示)檢測(cè)并調(diào)節(jié)，并且在該示例中，在線路224上供給 主要作為模擬設(shè)備運(yùn)行的預(yù)處理器205。線路224上的輸入信號(hào)供給模擬正 弦乘法器226和余弦乘法器228,乘法器226和228還通過(guò)線路212從振蕩器214接收1302Hz載波。乘法器226和228的輸出在440Hz的模擬濾波器 230和232中進(jìn)行低通濾波，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器234和236，從而生成數(shù)配濾波器204。應(yīng)該注意的是，乘法器226和228以及濾波器230和232在 第一零點(diǎn)處將線路224上的接收信號(hào)降頻轉(zhuǎn)換至0-186Hz(參見(jiàn)圖8)，所 述濾波器消除任何附加噪聲和載波產(chǎn)物。這個(gè)階段以模擬的形式示出，不過(guò) 也可以數(shù)字化地進(jìn)行，而且由于載波頻率更高，采樣速率也可以更高?，F(xiàn)在 通過(guò)以每秒372個(gè)采樣的速率對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器234和236進(jìn)行時(shí)鐘控制，可 以以此速率對(duì)來(lái)自所述濾波器的低通信號(hào)進(jìn)行釆樣，所述時(shí)鐘控制信號(hào)由 1/3.5分頻器242得出，而且從線路212供給并在線路244上輸出372p/s的 采樣時(shí)鐘速率。數(shù)字I和Q采樣流值經(jīng)過(guò)時(shí)移(可變時(shí)延)處理252，供給時(shí)域匹配濾 波器202中的相關(guān)器處理250，用于對(duì)輸入254和256上的發(fā)射信號(hào)的兩個(gè) 相同圖像進(jìn)行相關(guān)，所述圖像用作該啁啾的I圖像和Q圖像。輸入254和 256以如下方式得出線路216上的基準(zhǔn)二進(jìn)制波形的比特率(186/s)倍增 至372b/s，以與信號(hào)預(yù)處理器205中的A/D轉(zhuǎn)換器234和236的比特率匹配， 二者均從0到372向前計(jì)數(shù)。該方向必須被倒轉(zhuǎn)(從372到0計(jì)數(shù))，從而 與線^各238和240上的I和Q輸入(作為乘法器226和228及其相應(yīng)的低通 濾波器230和232作用的結(jié)果，被倒轉(zhuǎn))匹配。相應(yīng)地，輸入252和254供 給轉(zhuǎn)換器260，轉(zhuǎn)換器260實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)并且其輸出構(gòu)成到相關(guān)器250的輸 入254和256。然后，相關(guān)器250以與圖2系統(tǒng)中的相關(guān)器96基本相同的方式運(yùn)行。 因此，輸入238和240處所接收的復(fù)數(shù)信號(hào)圖像的I和Q分量各自在處理 252中依次進(jìn)行時(shí)移或時(shí)延l-N次，以便相關(guān)器250 (與第一示例中的相 關(guān)器96類似)以移位-相乘-相加過(guò)程工作(參見(jiàn)圖9 )，該過(guò)程被執(zhí)行2 xMxN次。在該示例中，N=8191 + l比特且填O。 M的值利用lkm范圍所 需的額外收聽(tīng)時(shí)間來(lái)設(shè)置，該時(shí)間為6s，因此M為6x 186= 1116個(gè)采樣。現(xiàn)在相關(guān)器的運(yùn)行總數(shù)為2 x 8192 x 1116= 18.285 X 10氣該數(shù)目是由現(xiàn)代PC 執(zhí)行的容許相關(guān)次數(shù)從而產(chǎn)生接近實(shí)時(shí)的結(jié)果。由于接收信號(hào)已經(jīng)得到有效地降頻采樣，所以時(shí)域匹配濾波器由于采樣 量少而運(yùn)行非?？臁＿@種采樣速率對(duì)于正常風(fēng)力范圍來(lái)說(shuō)是足夠的，但對(duì)于 較高的風(fēng)速來(lái)說(shuō)必需增加采樣速率，從而確保峰值風(fēng)速不會(huì)在采樣間隔期間 導(dǎo)致相位移動(dòng)超過(guò)2pi。不過(guò)，采樣速率的增加會(huì)導(dǎo)致處理時(shí)間的增加。返回匹配濾波器204中的頻域處理的操作，應(yīng)該參見(jiàn)圖10以及圖4。 利用處理257形成線路252和254上基準(zhǔn)二進(jìn)制波形的"前向計(jì)數(shù)'，372b/s 的圖像，并將其供給快速傅立葉變換(FFT)處理262,以在乘法器264中 與線路238和240上輸入的I和Q接收采樣流進(jìn)行傅立葉(頻域)域中的復(fù) 數(shù)乘法。不過(guò)，由于這些所接收的采樣流的長(zhǎng)度為N+M個(gè)采樣，因此首先 需要對(duì)輸入258和260上的輸入發(fā)射信號(hào)流中的M個(gè)采樣補(bǔ)零，從而給出 FFT262的輸出266和268與接收(I和Q)采樣相同的采樣數(shù)目(N+M )。 線;洛238和240上的后面采樣流在頻域匹配濾波器204中的FFT處理270 中進(jìn)行傅立葉變換，所輸出的變換后采樣流在線路272和274上供給復(fù)數(shù)傅 立葉頻域乘法器264，通過(guò)乘法器264在線路276和278上輸出(實(shí))和(虛) 頻域乘積，以利用處理280進(jìn)行快速傅立葉反變換，從而重新轉(zhuǎn)換到時(shí)域中 以作為線^各282和284上的振幅和相位輸出。由于發(fā)射機(jī)208和接收機(jī)222是圖1A和圖1B中的中心發(fā)射機(jī)和接收 機(jī)(Tv和Rv ),因此只要相位輸出利用諸如Matlab中可用的展開(kāi)功能"被 展開(kāi)"，則振幅輸出282將表示反射異常相對(duì)于高度的變化，而相位輸出 284將表示多普勒分量(即豎直風(fēng)速)相對(duì)于高度的變化。注意采樣數(shù)目與 高度一致。合成豎直風(fēng)速描繪在圖11中。在采用圖1A和圖1B中的接收機(jī)單元的整個(gè)陣列的情況下，對(duì)立接收 機(jī)單元的相位和振幅輸出可以有所差別，從而表示沿對(duì)立單元方向的水平風(fēng) 速。在我們先前的專利申請(qǐng)中已經(jīng)公開(kāi)這樣做的技術(shù)。雖然已經(jīng)描述展示出本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)的若干示例，但是應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離由所附權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下，可以設(shè)計(jì)出許多其它 示例并且可以對(duì)這些示例進(jìn)行-修改。例如，可以在第二示例中使用數(shù)字前端設(shè)備，或可以在第一示例中使用 模擬前端設(shè)備。如果為此認(rèn)為信號(hào)處理負(fù)擔(dān)過(guò)重，則若使用模擬前端設(shè)備就 可以在啁啾接收機(jī)中降頻采樣，或者通過(guò)僅僅利用每第四采樣值并將有效采樣速率從96000減小到24000/秒，在全數(shù)字系統(tǒng)中對(duì)數(shù)字信號(hào)降頻采樣。再 次，在涉及高風(fēng)速的情況下，例如在風(fēng)速的相位和誤差有可能混疊時(shí)對(duì)航行 器尾列進(jìn)行監(jiān)控的情況下，這種節(jié)約并不可取。
權(quán)利要求
1、一種用于生成關(guān)于一定高度范圍上大氣參數(shù)的信息的收發(fā)合置聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中至少有3個(gè)外圍發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)，大致等距地配置在一圓周上，每個(gè)所述外圍對(duì)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)以與鉛垂線成一定角度關(guān)于所述圓周沿徑向向外傾斜，每個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均包括聲換能器、聲反射器和環(huán)境隔音器，以便由一個(gè)發(fā)射機(jī)的聲傳輸引起的從大氣返回的回聲相對(duì)于其它所有接收機(jī)來(lái)說(shuō)，優(yōu)先被相應(yīng)發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)中的那個(gè)接收機(jī)接收，以及信號(hào)處理裝置，連接至每個(gè)發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)，并適于使發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)中的至少一個(gè)發(fā)射機(jī)將具有至少100ms持續(xù)時(shí)間的編碼的聲啁啾發(fā)射至大氣中，在所述啁啾的傳輸期間以及此后的一定時(shí)間間隔內(nèi)，處理相應(yīng)對(duì)中的那個(gè)接收機(jī)所接收的信號(hào)，從而得出表示所述大氣參數(shù)關(guān)于高度的信息。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中所述與鉛垂線所成的角度小于 10度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中中心接收機(jī)-發(fā)射機(jī)對(duì)被配置在所述圓周的中心附近， 所述中心對(duì)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)大致指向鉛垂線，以及 所述中心對(duì)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)各自包括聲換能器、聲反射器和環(huán)境隔音 器，以便由所述中心對(duì)中的那個(gè)中心發(fā)射機(jī)進(jìn)行聲傳輸引起的從大氣返回的回 聲相對(duì)于其它所有接收機(jī)來(lái)說(shuō)，優(yōu)先被所述中心對(duì)中的那個(gè)接收機(jī)接收。
4、 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中 所述信號(hào)處理裝置可操作地使多個(gè)所述發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)射并同時(shí)處理相應(yīng)發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)中的那些接收機(jī)所接收的信號(hào)。
5、 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中每個(gè)發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)的特征在于，所述發(fā)射機(jī)具有主中心發(fā)射天線波瓣, 而且所述接收機(jī)具有主中心接收天線波瓣，以及所述發(fā)射機(jī)波瓣和所述接收機(jī)波瓣在整個(gè)范圍內(nèi)彼此大致重疊。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中每個(gè)所述天線波瓣向外并向上傳播，從而使其對(duì)著相應(yīng)接收機(jī)或發(fā)射機(jī)附 近的不超過(guò)10度的夾角。
7、 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中 所述聲啁啾通過(guò)頻率調(diào)制進(jìn)行編碼，使得所述啁啾的頻率隨著時(shí)間線性變化。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中 所述啁啾通過(guò)數(shù)字調(diào)制進(jìn)行編碼。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中 所述啁啾通過(guò)二進(jìn)制相移4建控進(jìn)行編碼。
10、 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中 所述啁啾的持續(xù)時(shí)間為至少10秒。
11、 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中 所述啁啾具有小于0.35的帶寬與中心頻率比。
12、 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中 所述啁啾具有在0.04和0.2之間的帶寬與中心頻率比。
13、 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中 所述啁嗽具有小于500Hz的帶寬。
14、 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中 所述信號(hào)處理裝置包括匹配濾波器，該匹配濾波器適于參照對(duì)所述啁，湫的編碼來(lái)處理所接收的信號(hào)。
15、 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中 所述信號(hào)處理裝置適于處理由一個(gè)所述發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)中的發(fā)射機(jī)發(fā)射的啁啾，從而生成所發(fā)射信號(hào)的圖像，處理由所述那個(gè)發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)的接收機(jī)接收的信號(hào)，從而生成所接收 信號(hào)的圖像，以及將所述發(fā)射信號(hào)圖像與所述接收信號(hào)圖像進(jìn)行相關(guān)，以便得出所迷信息。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中流，所述接收信號(hào)圖像是通過(guò)將所述接收信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式所生成的數(shù)字采 樣流，所述信號(hào)處理裝置適于將所述接收信號(hào)圖像轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)形式，從而建立分離的同相和正交數(shù) 字采樣流作為轉(zhuǎn)換后的接收信號(hào)圖像，在時(shí)域中進(jìn)行所述發(fā)射信號(hào)圖像與所述轉(zhuǎn)換后的接收信號(hào)圖像之間的 移位-相乘-相加相關(guān)，從而生成包含與所述回聲振幅隨高度變化有關(guān)的 信息的第 一輸出，和包含與所述回聲的相位和多普勒分量中的 一個(gè)隨高度 變化有關(guān)的信息的第二輸出。
17、 根據(jù)權(quán)利要求15所迷的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中所述發(fā)射信號(hào)圖像是通過(guò)將所述啁啾轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式所生成的數(shù)字采樣流,所述接收信號(hào)圖像是通過(guò)將所述接收信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式所生成的數(shù)字采 樣流，所述信號(hào)處理裝置適于對(duì)所述發(fā)射信號(hào)圖像進(jìn)行傅立葉變換以將其轉(zhuǎn)換到頻域中，作為轉(zhuǎn)換 后的發(fā)射信號(hào)圖像，將所述接收信號(hào)圖像轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)形式，從而建立分離的同相和正交數(shù) 字采樣流作為轉(zhuǎn)換后的接收信號(hào)圖像，對(duì)所述轉(zhuǎn)換后的接收信號(hào)圖像進(jìn)行傅立葉變換，在頻域中進(jìn)行相關(guān)，從而生成頻域相關(guān)，對(duì)所述頻域相關(guān)進(jìn)行傅立葉反變換以將其轉(zhuǎn)換到時(shí)域，從而生成包含 與所述回聲的振幅隨高度變化有關(guān)的信息的第一輸出，和包含與所述回聲 的相位和多普勒分量中的一個(gè)隨高度變化有關(guān)的信息的第二輸出。
18、 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的聲雷達(dá)系統(tǒng)，其中 所述發(fā)射信號(hào)圖像包括與所述啁啾的持續(xù)時(shí)間相對(duì)應(yīng)的N個(gè)采樣， 所述接收信號(hào)圖像包括與所述啁啾的持續(xù)時(shí)間相對(duì)應(yīng)的N個(gè)采樣，以及與所述時(shí)間間隔相對(duì)應(yīng)的另外M個(gè)采樣，以及所述第 一輸出和所述第二輸出具有M個(gè)采樣。
19、 一種用于生成關(guān)于一定高度范圍上大氣參數(shù)的信息的裝置，其中多個(gè)發(fā)射機(jī)_接收機(jī)對(duì)適于大致等距地配置在一 圓周上，并且得到地面的 支持，每個(gè)所述外圍對(duì)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)以與鉛垂線成小于10度的角度關(guān)于 所述圓周沿徑向向外傾斜，中心發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)配置在所述圓周的中心附近，每個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均包括聲換能器、聲反射器和環(huán)境隔音器，使得由一 被相應(yīng)發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對(duì)中的那個(gè)接收機(jī)接收。
全文摘要
一種使用長(zhǎng)啁啾和發(fā)送-收聽(tīng)-同時(shí)技術(shù)的收發(fā)合置聲雷達(dá)系統(tǒng)，其采用具有一致主波瓣(Twm，Rwm；Tvm，Rvm；Tern，Rem)的接收機(jī)-發(fā)射機(jī)對(duì)(Tw，Rw；Tv，Rv；Te，Re)。該系統(tǒng)利用數(shù)字時(shí)域匹配濾波器和使用頻率調(diào)制或數(shù)字調(diào)制(例如，BPSK)的啁啾。也可以利用數(shù)字頻域匹配濾波。在將啁啾傳輸至大氣中之后，該匹配濾波器產(chǎn)生表示從大氣返回的回聲信號(hào)的相位和振幅的采樣流。
文檔編號(hào)G01S13/95GK101258420SQ200680026797
公開(kāi)日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2006年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月20日
發(fā)明者安德魯·路易斯·馬丁 申請(qǐng)人:溫德比克私人有限公司