專利名稱：低層大氣中尾流渦旋等的檢測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及聲雷達(dá)(SODAR)裝置、方法和系統(tǒng)，用于檢測(cè)、記錄和/或顯示短持續(xù)時(shí)間或異常的大氣湍流，例如從大型飛行器、大型造風(fēng)機(jī)螺旋槳等等流出的尾流渦旋，以及例如在盛行風(fēng)中由高大的人造或自然建筑物生成的偶發(fā)順風(fēng)渦旋或湍流。本發(fā)明非常適于在主要機(jī)場(chǎng)附近對(duì)飛行器尾流渦旋的檢測(cè)和/或顯示，以便增強(qiáng)機(jī)場(chǎng)安全和交通運(yùn)輸管理。
換句話說，本發(fā)明通常涉及的湍流類型是這樣的，它出現(xiàn)在平靜的或者相對(duì)溫和或穩(wěn)定的氣象條件下，并且未受到氣象預(yù)報(bào)技術(shù)的預(yù)測(cè)。實(shí)際上，所關(guān)注的渦旋很少形成于并且極其少見地持續(xù)于存在高度的大氣混合的陣風(fēng)或暴風(fēng)條件下。確實(shí)在這些條件下形成的任何渦旋的能量都容易快速消散。
背景技術(shù)：
本說明書要結(jié)合我們的在先國(guó)際申請(qǐng)PCT/AU01/00247、PCT/AU02/01129、PCT/AU04/00242來閱讀，這些申請(qǐng)涉及SODAR系統(tǒng)，上述系統(tǒng)利用以“脈沖壓縮”方式進(jìn)行編碼的長(zhǎng)脈沖，利用所接收的回波的過采樣以獲得良好的分辨率和處理增益，并且利用所采樣的回波的復(fù)數(shù)傅氏域處理來實(shí)現(xiàn)信噪比的進(jìn)一步辨別和處理增益。在我們的在先申請(qǐng)中采用的脈沖——一般稱作“線性調(diào)頻脈沖(chirp)”——最好是具有數(shù)十秒級(jí)的持續(xù)時(shí)間。所采用的脈沖壓縮技術(shù)最好是在脈沖持續(xù)時(shí)間上相位(音調(diào))的線性增加或降低；例如，音調(diào)從500到1500Hz的穩(wěn)定增長(zhǎng)，或者音調(diào)從1500到500Hz的穩(wěn)定下降。所公開的方法包含“在發(fā)送時(shí)監(jiān)聽”；也就是說，當(dāng)線性調(diào)頻脈沖的傳輸仍在進(jìn)行中時(shí)，接收并處理回波。該技術(shù)不僅能夠得到非常高的系統(tǒng)和處理增益，這能夠產(chǎn)生格外好的s/n(信噪比)，而且能夠檢測(cè)出現(xiàn)在地面附近的大氣突變層(discontinuity)。由于現(xiàn)有技術(shù)不能夠“在發(fā)送時(shí)監(jiān)聽”，因此必須要在短距離內(nèi)使用大功率的短脈沖，并遭受所造成的非常差的系統(tǒng)和處理增益。這些現(xiàn)有技術(shù)的SODAR基本上不能檢測(cè)和顯示具有辨別范圍廣闊的機(jī)場(chǎng)環(huán)境中的渦旋所需的較高的空間性和時(shí)間性。
盡管在我們的在先申請(qǐng)中所公開的SODAR系統(tǒng)能夠檢測(cè)尾流渦旋，并能夠監(jiān)控機(jī)場(chǎng)附近的氣流情況，并且與該領(lǐng)域先前可能達(dá)到的相比，具有更高的靈敏度和精確度，但是它們?nèi)匀粚?duì)顯示渦旋“壽命”存在困難；例如，當(dāng)它們形成、衰落、傳播到地面，或者在幾秒或幾分鐘的時(shí)期內(nèi)消散時(shí)，跟蹤由正在著陸的飛行器形成的風(fēng)切變擾動(dòng)。
為了簡(jiǎn)便起見，將我們前述申請(qǐng)中的公開內(nèi)容合并于此，包括這些申請(qǐng)的說明書中包含的現(xiàn)有技術(shù)的廣泛討論。另外，在這些說明書中解釋和定義了在這里使用的某些術(shù)語。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于這樣的認(rèn)識(shí)，所關(guān)心的短期異常大氣湍流(此處被稱作“目標(biāo)湍流”)難以可靠地通過SODAR方法來檢測(cè)、隔離和顯示，因?yàn)樗磺度胗诤苌賰?nèi)在關(guān)心的周圍環(huán)境、“正常的”或當(dāng)時(shí)的大氣突變層中，而不管這樣的突變層可能包括由氣流生成的(非目標(biāo))湍流的事實(shí)。因此，從一個(gè)方面講，本發(fā)明的方法包括檢測(cè)或辨別嵌入于盛行環(huán)境(prevailing condition)內(nèi)的目標(biāo)湍流，并分別地檢測(cè)或辨別缺乏目標(biāo)湍流的盛行環(huán)境，然后求出兩個(gè)結(jié)果之差以生成一個(gè)輸出，該輸出表示缺乏盛行環(huán)境或具有至少降低了的盛行環(huán)境的目標(biāo)湍流。
為了方便起見，所關(guān)心的目標(biāo)湍流在這里也可以稱作“渦旋”或“渦旋系”。在渦旋環(huán)境中生成的系統(tǒng)數(shù)據(jù)集或信號(hào)可以稱作“現(xiàn)行”數(shù)據(jù)集或信號(hào)，在盛行環(huán)境下生成的那些可以被稱作為“參考”數(shù)據(jù)集或信號(hào)，而通過差分(difference)現(xiàn)行和參考數(shù)據(jù)集或信號(hào)而生成的輸出可以稱作“凈”數(shù)據(jù)集、信號(hào)或輸出。
參考和現(xiàn)行輸出最好是由具有共同盛行環(huán)境的、處于不同時(shí)間的相同SODAR系統(tǒng)，或者位于不同位置的基本上同樣的SODAR系統(tǒng)來生成。這能夠確保最小的系統(tǒng)相關(guān)差值(system-dependent difference)影響現(xiàn)行和參考數(shù)據(jù)或信號(hào)的比較或差分。
可以采用某些自動(dòng)檢測(cè)目標(biāo)湍流的出現(xiàn)的手段，從而能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和/或地點(diǎn)生成現(xiàn)行和參考輸出。這能夠通過各種方式來完成。SODAR系統(tǒng)自身能夠用來檢測(cè)本地風(fēng)速(矢量)、風(fēng)切變等參數(shù)的存在，這些參數(shù)超出了密度的預(yù)設(shè)閾值，并且在預(yù)先確定的距離范圍之內(nèi)。該方法適用于千米級(jí)的距離范圍，或者目標(biāo)湍流是真實(shí)的——例如“塵暴”或颶風(fēng)——并且是相當(dāng)罕見或少見的。在關(guān)心機(jī)場(chǎng)附近的低空飛行器尾流渦旋的情況下，可以假定在飛行器進(jìn)場(chǎng)之前，在最后一個(gè)飛行器著陸之后的幾分鐘，或者在距離所使用的進(jìn)場(chǎng)航道/起飛航道一定距離的位置，正常環(huán)境一直占據(jù)主導(dǎo)地位。這是因?yàn)槲擦鳒u旋具有普遍較短的持續(xù)時(shí)間(通常具有數(shù)秒級(jí)，但偶爾也具有數(shù)分鐘級(jí))。因此，利用取決于飛行器在給定跑道進(jìn)場(chǎng)或離開的可視和/或可聽提示，能夠人工地或自動(dòng)地啟動(dòng)正常和渦旋湍流測(cè)量。
在關(guān)心來自于造風(fēng)機(jī)的渦旋的情況下(并且假定為持續(xù)不斷地流出)，能夠通過使用位于足夠遠(yuǎn)離該造風(fēng)機(jī)的第二參考SODAR系統(tǒng)來生成參考信號(hào)，它的渦旋很清楚但并不是那么遠(yuǎn)，以便具有不同的盛行環(huán)境。
被SODAR系統(tǒng)用來識(shí)別出現(xiàn)所關(guān)心的擾動(dòng)的大氣參數(shù)，無需與用來生成正常、參考和渦旋信號(hào)或顯示的那個(gè)或那些參數(shù)相同。例如，高于預(yù)定閾值的垂直風(fēng)速的檢測(cè)可以用來觸發(fā)從正常/參考到湍流信號(hào)生成的切換，但是組成參考和湍流信號(hào)的這些參數(shù)可以包括水平風(fēng)切變、風(fēng)速、虛溫度、折射率等，包含或者不包含垂直風(fēng)速參數(shù)。同樣，由正常和參考信號(hào)的比較而得到的渦旋信號(hào)的生成，可以包括每個(gè)信號(hào)的所有組成參數(shù)的比較，或者只有所選擇的參數(shù)的比較。
我們的在先國(guó)際申請(qǐng)公開了SODAR方法和裝置，用于利用長(zhǎng)線性調(diào)頻脈沖(超過100ms)來推導(dǎo)大氣參數(shù)，并利用“在發(fā)送時(shí)監(jiān)聽”的新穎技術(shù)來大大增加關(guān)于最大發(fā)射機(jī)功率的處理增益。這樣的技術(shù)要求利用匹配濾波器，參考所發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖波形以便抽取所返回的回波內(nèi)的相位和幅度信息。匹配濾波器最好是這樣的濾波器，其使用傅立葉方法并且能夠?qū)崿F(xiàn)頻域上而不是時(shí)域上的濾波，盡管此處也可以設(shè)想后者。從現(xiàn)行和參照返回中抽取的相位和/或幅度數(shù)據(jù)集最好是任一個(gè)或兩者都用于實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于以上的差分。
鑒于在檢測(cè)機(jī)場(chǎng)附近的飛行器渦旋中包含的短距離，從另一方面，本發(fā)明包括一種系統(tǒng)，其中橫穿或順著飛行路線來布置固定的一系列SODAR接收機(jī)，用SODAR發(fā)射機(jī)照射接收機(jī)上方和接收機(jī)附近的空氣體積，對(duì)接收機(jī)的輸出進(jìn)行處理且合并為合成孔徑(synthetic aperture)，以生成該空氣體積內(nèi)大氣渦旋的可視顯示。參考和現(xiàn)行合成孔徑輸出的比較再一次被用來生成所期望的渦旋輸出。
由于目標(biāo)湍流通常具有相對(duì)較短的壽命，并且相對(duì)密閉，因而此處最好是采用較短的線性調(diào)頻脈沖，以便允許在目標(biāo)湍流的壽命期間允許進(jìn)行頻繁的聲探測(cè)(sounding)。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大約300ms到3s之間的詢問線性調(diào)頻脈沖非常適用于在高達(dá)幾百米的范圍之內(nèi)進(jìn)行尾流渦旋的檢測(cè)。因此，對(duì)于大約150m的范圍，我們使用大約1.5s的詢問脈沖和大約2.5s的監(jiān)聽時(shí)間(包括大多數(shù)或所有發(fā)射時(shí)間)。對(duì)于大約300m的范圍，我們更喜歡使用大約1.5s的線性調(diào)頻脈沖和大約3.5s的監(jiān)聽時(shí)間。很短的發(fā)射時(shí)間是所希望的，以便確保能夠檢測(cè)到渦旋環(huán)境的迅速變化，并確保更新周期很短。比大約2s長(zhǎng)很多的脈沖有可能無法充分地解析出由風(fēng)輪機(jī)或飛行器流出的渦旋。
實(shí)例描述現(xiàn)在將參照附圖，對(duì)描繪了本發(fā)明性質(zhì)的特別例子進(jìn)行描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，當(dāng)符合如上所述的本發(fā)明的范圍時(shí)，能夠?qū)λx擇的例子做出許多變化和修改。


在附圖中圖1是從側(cè)面來看，沿東西方向延伸的機(jī)場(chǎng)跑道的簡(jiǎn)圖，在每一端都具有SODAR系統(tǒng)，用于檢測(cè)和顯示由著陸的飛行器和/或起飛的飛行器留下的渦旋。
圖2是從一端來看的圖1跑道的簡(jiǎn)圖，示出了SODAR系統(tǒng)之一及生成尾流渦旋的飛行器。
圖3為方框圖，示出了圖1的兩個(gè)SODAR系統(tǒng)的主要功能元件，以及由各個(gè)系統(tǒng)中單一接收機(jī)的輸出來生成合適輸出顯示的方式。
圖4是圖1的SODAR系統(tǒng)之一的一個(gè)接收機(jī)的模擬輸出的時(shí)間/頻率曲線。
圖5是圖3的SODAR系統(tǒng)之一中匹配濾波器的累積相位(多普勒)輸出曲線，連同示出該曲線表示的渦旋的簡(jiǎn)圖。
圖6(a)、(b)和(c)是相對(duì)于圖3的方框圖中三個(gè)點(diǎn)的累積相位的三條高度(海拔高度)曲線。
圖7(a)、(b)和(c)是相對(duì)于圖3的方框圖中三個(gè)點(diǎn)的幅度的三條高度(海拔高度)曲線。
圖8是類似于圖3的兩個(gè)SODAR系統(tǒng)的方框圖，但是其中利用了每個(gè)系統(tǒng)中五個(gè)接收機(jī)的輸出。
圖9是具有正在著陸的飛行器的跑道附近的飛行路線的概略橫切面視圖，一排接收機(jī)被布置為橫穿該飛行路線以用作合成孔徑。
圖10是示出集成在合成孔徑系統(tǒng)中的圖9的接收機(jī)的方框圖。
具體實(shí)施例方式
所選擇的實(shí)例涉及SODAR系統(tǒng)和技術(shù)，其能夠檢測(cè)和顯示——接近于實(shí)時(shí)地——由大型飛行器在150m海拔高度以下在機(jī)場(chǎng)上著陸而引起的尾流渦旋。應(yīng)當(dāng)注意，由于它們相對(duì)較差的s/n(在其他因素之中)，現(xiàn)有技術(shù)的SODAR系統(tǒng)已經(jīng)不能檢測(cè)和描繪這么低的海拔高度的尾流渦旋。實(shí)際上，沒有一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)——包括RADAR、LIDAR和RASS——看起來似乎能夠迎接該挑戰(zhàn)。
圖1的簡(jiǎn)圖示出了東西方向定位的跑道10，位于跑道10西端的滑翔道之下的第一SODAR系統(tǒng)12a，位于跑道10東端的滑翔道之下的第二同樣的SODAR系統(tǒng)12r，正在進(jìn)場(chǎng)的飛行器14，以及由飛行器14流出的曳尾渦旋(trailing vortices)16。風(fēng)切變槽(duct)18(用虛線表示)在整個(gè)機(jī)場(chǎng)上延伸，并且包含某些渦旋16。在該例中，系統(tǒng)12a充當(dāng)現(xiàn)行系統(tǒng)(由渦旋16生成現(xiàn)行數(shù)據(jù))，而系統(tǒng)12r充當(dāng)參考系統(tǒng)(由包括槽18的周圍環(huán)境生成參考數(shù)據(jù))。
當(dāng)飛行器從東向西著陸時(shí)，可以顛倒SODAR系統(tǒng)12a和12r的角色。在具有很長(zhǎng)跑道的大型和繁忙機(jī)場(chǎng)中，使用系統(tǒng)12r為系統(tǒng)12a參照周圍環(huán)境(反之亦然)可能是不方便的或不合乎需要的，因?yàn)橹車h(huán)境在兩個(gè)位置可能并非基本上相同。在這種情況下，能夠獨(dú)立地操作系統(tǒng)12a和12r，以便在飛行器著陸之間的相當(dāng)時(shí)期中，生成它們自己的參考數(shù)據(jù)。物理上分離的參考系統(tǒng)的描述是為了舉例說明的方便。
便利地，SODAR系統(tǒng)12a和12r可以是我們?cè)谙壬暾?qǐng)中公開的那些，其中將四個(gè)接收機(jī)放置于靠近中央發(fā)射機(jī)的方位基點(diǎn)上，并且它們的軸線朝向發(fā)射機(jī)的垂直軸線略微傾斜。當(dāng)出現(xiàn)有意義的盛行風(fēng)時(shí)，第五垂直指向的接收機(jī)也用來參與確定垂直風(fēng)速。在沒有風(fēng)的寂靜日子里，只利用一個(gè)接收機(jī)(最好是垂直的一個(gè))就能夠獲得關(guān)于大型飛行器的有用結(jié)果。在圖1中，現(xiàn)行系統(tǒng)12a的發(fā)射機(jī)用Ta表示，而它東邊和西邊的接收機(jī)用Rae和Raw表示，現(xiàn)行系統(tǒng)12a的其他三個(gè)接收機(jī)在該圖中未被示出。同樣，參考系統(tǒng)12r具有發(fā)射機(jī)Tr和五個(gè)相鄰的接收機(jī)，在圖1中僅示出了東邊和西邊的接收機(jī)，Rre和Rrw。由發(fā)射機(jī)Ta照射的基本上為垂直圓錐形的空氣體積用點(diǎn)劃線20來表示，從槽18反向散射的所發(fā)射線性調(diào)頻脈沖的回波用箭頭22表示，而從渦旋16反向散射的所發(fā)射線性調(diào)頻脈沖的回波用箭頭24表示。這兩組回波通常都用系統(tǒng)12a的所有接收機(jī)來接收，盡管返回到各個(gè)接收機(jī)的那些回波能夠輕微地——但卻非常重要地——相互區(qū)別。
這個(gè)例子中的渦旋檢測(cè)和辨別系統(tǒng)發(fā)射持續(xù)時(shí)間大約為1.5s的線性調(diào)頻脈沖，并且具有大約2.5s的監(jiān)聽時(shí)間，其中包括所發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖的持續(xù)時(shí)間。在所發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖結(jié)束之后的1.0s的監(jiān)聽時(shí)間提供大約150m的所需范圍。從控制和編程的立場(chǎng)來看，使用簡(jiǎn)單線性的線性調(diào)頻脈沖是便利的，該簡(jiǎn)單線性的線性調(diào)頻脈沖從大約1000Hz的音調(diào)升高到大約2500Hz。然而，如在我們?cè)谙壬暾?qǐng)中所教導(dǎo)的那樣，可以使用許多其他的波形，只要它們適于采用傅立葉或時(shí)域方法來進(jìn)行脈沖壓縮。
圖2是從進(jìn)場(chǎng)飛行器14的西邊來看的側(cè)視圖，在圖2中連同渦旋16、槽18和它們各自的回波24和22一起，示出了現(xiàn)行系統(tǒng)12a北邊的和南邊的發(fā)射機(jī)Ran和Ras。
在圖1中，參考SODAR系統(tǒng)12r的發(fā)射機(jī)用Tr表示，東邊和西邊的發(fā)射機(jī)用Rre和Rrw表示，Tr所照射的錐形物用點(diǎn)劃線26表示。所照射的錐形物26包括風(fēng)切變槽18，它生成從發(fā)射機(jī)Tr傳輸?shù)幕夭ㄐ盘?hào)28，該回波信號(hào)28將返回到系統(tǒng)12r的所有接收機(jī)。一般可靠地假定，所提供的現(xiàn)行和參考系統(tǒng)12a和12r基本上是相同的，回波信號(hào)19和26也將是幾乎相同的。當(dāng)然，諸如18的槽，連同與它們相關(guān)聯(lián)的風(fēng)切換、溫度梯度和溫度逆增一起，憑借它們本身的頭銜，具有真正的意義，而由參考系統(tǒng)12r采集的數(shù)據(jù)將構(gòu)成機(jī)場(chǎng)10的氣象報(bào)告和預(yù)報(bào)的重要輸入。這正是如我們的在先專利申請(qǐng)所教導(dǎo)的那樣，采用布置在環(huán)繞單一發(fā)射機(jī)周圍的方位基點(diǎn)上的至少四個(gè)接收機(jī)的重要原因。
如從圖3能夠看出的，每個(gè)SODAR系統(tǒng)12a和12r實(shí)質(zhì)上均包括連接至各自的系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的計(jì)算機(jī)、PCa和PCr(各自地)?，F(xiàn)行系統(tǒng)12a示出了垂直定向的接收機(jī)——用Rav表示——在圖1和圖2中未被示出。同樣，將參考系統(tǒng)12r被顯示為連同在圖1中未被示出的垂直接收機(jī)Rrv一起，包括其北邊和南邊的接收機(jī)，Rrn和Rrs。所希望的是，如果采用分離的現(xiàn)行和參考系統(tǒng)，那么他們是基本上相同的，從而相位和其他延遲、增益和頻率特性能夠良好地匹配。這最小化了系統(tǒng)所引入的誤差和不準(zhǔn)確性。
現(xiàn)行系統(tǒng)12a的計(jì)算機(jī)PCa通過公知設(shè)計(jì)的數(shù)字聲卡30連接至其接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，數(shù)字聲卡30包括用于驅(qū)動(dòng)其發(fā)射機(jī)Ta的模擬輸出32，和用于接收來自其五個(gè)接收機(jī)的信號(hào)的五個(gè)模擬輸入，在這種情況下只接受來自垂直接收機(jī)Rav的輸出34(如以下所解釋的)。接收機(jī)信號(hào)可以是數(shù)字或模擬形式的，并且如果是模擬的(如此處所采取的)，PCa的聲卡將不需要將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為經(jīng)過采樣的數(shù)字格式。同樣，參考系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)PCr通過其聲卡36連接至其發(fā)射機(jī)和五個(gè)接收機(jī)，只接受來自垂直接收機(jī)Rrv的模擬輸入38(如以下所解釋的)。計(jì)算機(jī)PCa和PCr一般包括它們自己的屏幕40和41，用于以圖形格式顯示從其接收機(jī)獲得的數(shù)據(jù)，PCa的屏幕40顯示由接收機(jī)Rav檢測(cè)的合成的槽回波和渦旋回波(分別是22和24)而獲得的數(shù)據(jù)，PCr的屏幕41顯示由垂直接收機(jī)Rrv檢測(cè)的槽回波而獨(dú)自獲得的數(shù)據(jù)。
當(dāng)使用SODAR12a從下面觀察渦旋16時(shí)，一個(gè)人能夠“看到”多普勒相移，其代表了尾流渦旋迅速向下移動(dòng)以及迅速向上移動(dòng)的空氣流特性。為此目的，僅使用現(xiàn)行系統(tǒng)12a中垂直指向的接收機(jī)Rav一般就足夠了。因此，如果只有垂直接收機(jī)Rav被用于渦旋檢測(cè)，只有來自于垂直接收機(jī)Rrv的參考信號(hào)能夠更好地用于辨別渦旋16。由于這個(gè)原因，圖3中的實(shí)線僅示出了接收機(jī)Rav和計(jì)算機(jī)PCa之間的連接，并且僅示出了接收機(jī)Rrv和計(jì)算機(jī)PCr之間的連接。因此在考慮圖3時(shí)可以忽略其他接收機(jī)的輸出，但是將參照?qǐng)D4來描述它們的使用。
因此，計(jì)算機(jī)PCa的聲卡30僅接收并數(shù)字化來自于垂直接收機(jī)Rav的模擬輸出34，并通過參考在線44上輸入給濾波器43的發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)32的數(shù)字采樣流，將所得到的數(shù)字采樣流在線42上輸入給計(jì)算機(jī)PCa中裝備的匹配濾波器43。濾波器43的輸出包括線45和46上的相位和幅度數(shù)據(jù)流|A|和Φ，它們被(分別地)饋送給相位差分單元或功能塊47和幅度差分單元或功能塊48。以完全相同的方式，將來自接收機(jī)Rrv和發(fā)射機(jī)Tr的數(shù)字化采樣流饋送給匹配濾波器49，而將來自濾波器49的相位和幅度輸出在線50和51上分別饋送給相應(yīng)的差分單元47和48。線52上相位單元47的差分輸出在單元或功能塊53中進(jìn)行微分(differentiate)，將所得到的梯度輸出[ΔΦ]在線55上饋送給渦旋分析、顯示和記錄單元或功能塊54。同樣將幅度差分單元48的輸出在線56上饋送給單元52。能夠在PCa的屏幕40上顯示來自匹配濾波器43的“現(xiàn)行”幅度和相位輸出，同樣能夠在PCr的屏幕41上顯示來自匹配濾波器49的“參考”幅度和相位輸出。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4-7，這些圖是在圖3中不同點(diǎn)的信號(hào)的曲線，圖4的曲線圖是在SODAR系統(tǒng)12a的操作期間在線34上饋送給聲卡30的現(xiàn)行垂直接收機(jī)Rav的模擬輸出的時(shí)間/頻率曲線。粗黑體斜對(duì)角界線56是在發(fā)射機(jī)Ta和接收機(jī)Rav之間直接水平傳送的強(qiáng)直達(dá)線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，而不管最小化該“直達(dá)信號(hào)”的適當(dāng)聲學(xué)屏蔽的使用。它具有1.5s的持續(xù)時(shí)間。更黑的斑點(diǎn)線57是直達(dá)信號(hào)56的第二諧波，它也是由發(fā)射機(jī)Ta生成的，并直接傳送給接收機(jī)Rav。以直達(dá)信號(hào)56為底的平行四邊形58表示在2.5秒的整個(gè)監(jiān)聽周期期間，使用接收機(jī)Rav中適當(dāng)?shù)臑V波器而收集的回波信息(連同直達(dá)信號(hào)和噪聲一起)。該信息(和噪聲)通過計(jì)算機(jī)PCa的聲卡30被采樣成為240,000個(gè)數(shù)字采樣的數(shù)據(jù)集。由接收機(jī)Rav的輸出不能可視或可聽地識(shí)別任何回波信號(hào)，這種識(shí)別要求匹配濾波器技術(shù)的使用(本領(lǐng)域所公知的，并且在我們的在先專利申請(qǐng)中已經(jīng)進(jìn)行了教導(dǎo))。
圖5的曲線圖是圖3中線45上連續(xù)采樣之間累積的相對(duì)相位變化(或水平軸線上的多普勒位移)的曲線。由于采樣的連續(xù)性代表高度或海拔高度，在垂直軸線上表示高度而不是采樣數(shù)目。該曲線是用圖3的系統(tǒng)由來自PCa的匹配濾波器43的在線45上的相位數(shù)據(jù)輸出生成的，而無須在單元47中用線50上來自PCr的參考相位數(shù)據(jù)進(jìn)行差分。如從圖4能夠看出的，該相位曲線表示最大圓周速度為14m/s，直徑大約為20m的旋轉(zhuǎn)渦旋。這產(chǎn)生了大約880m2/s的旋轉(zhuǎn)力，這異乎尋常的強(qiáng)大，并且能夠無疑地將輕型飛行器卷入該渦旋。該數(shù)據(jù)是在一個(gè)異乎尋常寂靜的無風(fēng)日子里，在墨爾本機(jī)場(chǎng)由波音737在著陸前的拉平(flare-out)期間獲得的，并且是異常的。
不管圖5的異常輸出，僅單獨(dú)地利用來自現(xiàn)行SODAR系統(tǒng)的相位數(shù)據(jù)來辨別具有任何置信度的渦旋，這通常是非常困難的；也就是說，不與參考相位進(jìn)行差分，并且不與來自現(xiàn)行和參考數(shù)據(jù)集的差分幅度輸出進(jìn)行交叉檢驗(yàn)。圖6和7示出了更普遍獲得類型的相位和幅度曲線(數(shù)據(jù)集)。這些曲線也是從墨爾本機(jī)場(chǎng)的波音737獲得的，但是在這樣的一個(gè)日子里，具有速度大約為8節(jié)的相當(dāng)陣風(fēng)性的低能級(jí)風(fēng)。圖6的曲線(a)、(b)和(c)來自于(分別地)線50上來自參考匹配濾波器49的、線45上來自現(xiàn)行匹配濾波器43的、和線55上去往分析和顯示單元54的相位數(shù)據(jù)集(數(shù)字采樣流)輸出，需要注意的是，曲線(c)是來自單元47的差分輸出的相位梯度。盡管在曲線(b)中很可能在大約40m高處出現(xiàn)渦旋，它要求與參考曲線/數(shù)據(jù)集(a)進(jìn)行差分，并接下來在單元53中進(jìn)行微分，以便在曲線(c)中產(chǎn)生同樣也是40m高處的經(jīng)證實(shí)的峰值。通過交叉檢驗(yàn)，圖7的幅度曲線部分(a)、(b)和(c)分別源自線51上來自參考匹配濾波器49的參考幅度輸出數(shù)據(jù)集、線46上來自現(xiàn)行匹配濾波器43的現(xiàn)行幅度數(shù)據(jù)集、和線55上的差分?jǐn)?shù)據(jù)集。圖7的差分幅度曲線(c)中在40m高處出現(xiàn)最強(qiáng)峰值，與圖6中差分相位曲線(c)的最強(qiáng)梯度峰值的明顯一致，提供了在40m高處出現(xiàn)重要渦旋的有力確認(rèn)。也可以通過對(duì)這些曲線的檢查和計(jì)算得到該渦旋的特征。
尾流渦旋的研究中所關(guān)心的主題是它們的持續(xù)時(shí)間、漂移、下沉速度和關(guān)于時(shí)間的衰落。這可以按照我們的在先專利中概括地給出教導(dǎo)的方式，利用圖3所示現(xiàn)行和參考SODAR系統(tǒng)的其他接收機(jī)來完成。因此，圖8以頭腦中存有該目標(biāo)的不同觀點(diǎn)，示出了圖3的系統(tǒng)。假定以用于所有接收機(jī)(和用于所發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖)的相同速率，對(duì)每個(gè)SODAR系統(tǒng)12a和12r的每個(gè)接收機(jī)的輸出進(jìn)行采樣和數(shù)字化，從而在各個(gè)系統(tǒng)中由各個(gè)接收機(jī)生成相同數(shù)目的采樣。如圖3中一樣，采用1.5s的相同脈沖長(zhǎng)度、2.5s的相同監(jiān)聽時(shí)間和96Hz的相同采樣速率將是很便利的。這樣就在每個(gè)詢問周期中由每個(gè)接收機(jī)產(chǎn)生240,000個(gè)采樣的流。
為了從噪聲和直達(dá)發(fā)射機(jī)信號(hào)中抽取所需的線性調(diào)頻脈沖回波，連同無噪聲的采樣流Tas一起，將每個(gè)接收機(jī)采樣流(或數(shù)據(jù)集)饋送給匹配濾波器MF，Tas表示1.5s發(fā)射的脈沖(以相同的96kHz速率來采樣)，1.0秒的重疊用零來填充。在圖8中，匹配濾波器用MF表示，所采樣的現(xiàn)行發(fā)射信號(hào)用Tas表示，而所采樣的參考發(fā)射信號(hào)用Trs表示。優(yōu)選地，匹配濾波器使用傅立葉技術(shù)，而回波識(shí)別和抽取出現(xiàn)在傅氏域或頻域，來自每個(gè)匹配濾波器的輸出最好是代表回波信號(hào)的相位[Φ]的96kHz的采樣流(數(shù)據(jù)集)、和代表回波信號(hào)的幅度[|A|]的96khz的采樣流(數(shù)據(jù)集)。為了測(cè)量水平風(fēng)速和方向，需要(如我們?cè)谙葘＠暾?qǐng)中所教導(dǎo)的)移除由垂直風(fēng)引起的相位(或多普勒)分量。
因此，在現(xiàn)行SODAR系統(tǒng)12a中，這可以方便地完成，通過分別地在單元或功能塊60中差分所抽取的北邊和南邊的脈沖信號(hào)，而在單元或功能塊62中差分東邊和西邊的脈沖信號(hào)，并且以如我們?cè)谙葘＠暾?qǐng)中所教導(dǎo)的方式，利用這些結(jié)果分別地在單元或功能塊64和66中計(jì)算水平風(fēng)向和風(fēng)速。現(xiàn)行系統(tǒng)12a的這些風(fēng)的參數(shù)當(dāng)然可以包括由于渦旋產(chǎn)生的分量，以及由于盛行風(fēng)和異常環(huán)境產(chǎn)生的分量。因此，將來自單元64的水平風(fēng)向數(shù)據(jù)集饋送給差分單元或功能塊70。垂直接收機(jī)Rav的幅度和相位輸出表示了從渦旋和周圍風(fēng)垂直返回的回波的垂直風(fēng)速和幅度——這用72來表示，這些相位和幅度輸出被饋送給差分單元或功能塊74。如箭頭78所示，將連接至接收機(jī)Ran、Ras、Rae和Raw的匹配濾波器的四個(gè)幅度信號(hào)，作為輸入直接饋送給分析、顯示和/或記錄單元或功能塊76。
參考SODAR系統(tǒng)12r基本上與現(xiàn)行系統(tǒng)12a相同，并且以與剛剛為現(xiàn)行系統(tǒng)12a所描述的完全相同的方式來操作，唯一的區(qū)別在于由渦旋產(chǎn)生的回波不會(huì)出現(xiàn)在系統(tǒng)12r的五個(gè)接收機(jī)的輸入端。因此，將包括垂直風(fēng)速和幅度分量(用80表示)的數(shù)據(jù)集饋送給差分單元74，將在單元82計(jì)算的參考水平風(fēng)速數(shù)據(jù)集饋送給差分單元70，而將在單元84處的參考水平風(fēng)向數(shù)據(jù)集饋送給差分單元68。并且，如箭頭86所示，將來自連接至參考接收機(jī)Rrn、Rrs、Rre和Rrw的匹配濾波器MF的幅度分量直接饋送給顯示單元78。當(dāng)然，由單元68、70和74中的差分操作得到的數(shù)據(jù)集也被饋送給單元78。
如在我們的在先申請(qǐng)中所教導(dǎo)的，每個(gè)系統(tǒng)12a和12r中的垂直風(fēng)速可以通過處理北邊、南邊、東邊和西邊的信號(hào)來近似，而非利用分離的垂直接收機(jī)Rav和Rrv。然而，最好是使用專用的垂直接收機(jī)。應(yīng)當(dāng)理解，生成表示風(fēng)向、風(fēng)速和回波幅度的數(shù)據(jù)集所涉及的計(jì)算不需要為各個(gè)數(shù)據(jù)集的每個(gè)和各個(gè)采樣而發(fā)生，因?yàn)檎绫绢I(lǐng)域所公知的，可以對(duì)固定數(shù)目的相鄰采樣進(jìn)行“重新劃分”或取平均，以降低計(jì)算負(fù)荷。
也應(yīng)該理解，作為替換，來自相應(yīng)的現(xiàn)行和參考接收機(jī)的各個(gè)所抽取信號(hào)能夠在匹配濾波器MF之后，而不是在確定風(fēng)速和風(fēng)向之后進(jìn)行差分。然而，這將對(duì)計(jì)算能力有稍微更高的要求。盡管也設(shè)想過能夠?qū)ΜF(xiàn)行和參考系統(tǒng)的未處理的接收機(jī)輸出進(jìn)行差分，但這是不太合乎需要的，因?yàn)樗菀资箂/n降級(jí)。正如在圖3的討論中已經(jīng)指出的，能夠在現(xiàn)行和參考系統(tǒng)中分別地計(jì)算關(guān)于高度的三維風(fēng)速向量，并且能夠根據(jù)本發(fā)明的原則對(duì)這些向量進(jìn)行差分。這樣做的希求將取決于分別計(jì)算這些向量所引入的不準(zhǔn)確度的數(shù)量。
應(yīng)當(dāng)理解，圖3和8的框不需要代表分離的物理項(xiàng)目，而是可以簡(jiǎn)單地代表由單一系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)執(zhí)行的功能。例如，(已經(jīng)指出)在大型飛行器著陸之間存在的晴空中，本質(zhì)上不提供分離的參考和現(xiàn)行系統(tǒng)，從而SODAR系統(tǒng)能夠進(jìn)行參考讀取。因此，這種組合系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單地包括耦合至帶有內(nèi)置顯卡和聲卡的單一便攜式計(jì)算機(jī)的單獨(dú)的一組四個(gè)或五個(gè)接收機(jī)及一個(gè)發(fā)射機(jī)。另一方面，如果要求接近實(shí)時(shí)的操作，則置于單一計(jì)算機(jī)上的I/O和處理需求將非常巨大。因此，每個(gè)接收機(jī)及其相關(guān)聯(lián)的發(fā)射機(jī)可以具有它自己的專用PC和聲卡，這些PC用分離的系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，并且具有用于每個(gè)SODAR系統(tǒng)(12a和12c)的顯示PC，而后者的PC又連接至差分和凈顯示(net-display)PC。最終，如以上已經(jīng)討論的，在所接收信號(hào)的處理中，能夠以不同的步驟來實(shí)現(xiàn)差分功能。
圖9和10圖示了一個(gè)替代配置，其中將SODAR發(fā)射機(jī)100，以及一行或一列相對(duì)遠(yuǎn)離的SODAR接收機(jī)排列組合為合成孔徑SODAR系統(tǒng)104，以顯現(xiàn)從正在進(jìn)場(chǎng)的飛行器108流出的渦旋106。將發(fā)射機(jī)100布置在飛行路線的一側(cè)以照射用虛線110來表示的空氣體積，所關(guān)心的渦旋很可能出現(xiàn)在該空氣體積中。用接收機(jī)102檢測(cè)從渦旋106和從風(fēng)槽(未示出)反射或散射的所發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖的回波112，并對(duì)其進(jìn)行部分的處理。在該系統(tǒng)中，在飛行器著陸之間的相當(dāng)或正常時(shí)間期間進(jìn)行聲探測(cè)，并記錄該參考聲探測(cè)數(shù)據(jù)，以便隨后從在飛行器108的著陸或進(jìn)場(chǎng)期間獲得的現(xiàn)行數(shù)據(jù)中減去。
由于這種系統(tǒng)中的計(jì)算負(fù)荷，一般而言這樣是更實(shí)際的，每個(gè)接收機(jī)102均包括連接至其自身計(jì)算機(jī)102b(圖10)的麥克風(fēng)102a，每個(gè)計(jì)算機(jī)102b將幅度和脈沖數(shù)據(jù)采樣流通過LAN112輸出給生成顯示116的合成孔徑計(jì)算機(jī)114。合成孔徑計(jì)算機(jī)114也連接至記錄器或存儲(chǔ)器118，它存儲(chǔ)參考“現(xiàn)場(chǎng)(scene)”或數(shù)據(jù)以用于后面的使用。如已經(jīng)指出的，在飛行器著陸之間的相當(dāng)時(shí)期內(nèi)，記錄該參考數(shù)據(jù)。顯示116示出了計(jì)算機(jī)114的當(dāng)前輸出，無論它是參考現(xiàn)場(chǎng)(只有槽數(shù)據(jù))還是“總的”現(xiàn)場(chǎng)(合成的渦旋和槽數(shù)據(jù))。將來自處理器114的總輸出饋送給處理器120的差分單元，其中抽取參考數(shù)據(jù)，并接下來在渦旋顯示單元122中顯示凈結(jié)果(net result)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，顯示116和122可以是一個(gè)并且是相同的，因?yàn)檫@可以通過合適的信號(hào)選擇或切換來完成。
應(yīng)當(dāng)理解，盡管已經(jīng)描述了提供獨(dú)特價(jià)值的能夠檢測(cè)和辨別低海拔高度渦旋的SODAR系統(tǒng)的例子，但在不偏離下述權(quán)利要求的范圍的前提下，可以設(shè)計(jì)這些實(shí)例系統(tǒng)的許多修改、以及許多其他實(shí)例。這些實(shí)例的SODAR系統(tǒng)的操作能夠自動(dòng)進(jìn)行，利用一個(gè)或多個(gè)接收機(jī)麥克風(fēng)來檢測(cè)飛行器的進(jìn)場(chǎng)或起飛以啟動(dòng)現(xiàn)行數(shù)據(jù)獲取，以及檢測(cè)飛行器的離開以啟動(dòng)參考數(shù)據(jù)獲取。
還應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可以用來辨別許多其他低海拔的大氣湍流，并且為此目的，可以將系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和一個(gè)或多個(gè)接收機(jī)安裝在便攜式和可操縱的結(jié)構(gòu)上。這能夠允許這樣的系統(tǒng)在室內(nèi)使用，以識(shí)別和跟蹤例如由空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)所引起的漩渦、盲點(diǎn)和渦旋。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)和/或量化空氣體積中短持續(xù)時(shí)間的地面附近的目標(biāo)湍流的SODAR方法，該方法包括以下步驟當(dāng)目標(biāo)湍流不存在時(shí)或者在目標(biāo)湍流不存在的地方，將第一聲學(xué)線性調(diào)頻脈沖發(fā)射到所述體積中，檢測(cè)所述第一線性調(diào)頻脈沖的回波，以由此生成代表所述空氣體積中的盛行周圍環(huán)境的參考數(shù)據(jù)集，當(dāng)該目標(biāo)湍流出現(xiàn)時(shí)或者在該目標(biāo)湍流出現(xiàn)的地方，將第二聲學(xué)線性調(diào)頻脈沖發(fā)射到所述體積中，檢測(cè)所述第二線性調(diào)頻脈沖的回波，以由此生成代表所述盛行周圍環(huán)境和所述目標(biāo)湍流的現(xiàn)行數(shù)據(jù)集，和對(duì)所述參考和所述現(xiàn)行數(shù)據(jù)集進(jìn)行差分，以生成凈數(shù)據(jù)集，該凈數(shù)據(jù)集代表具有降低的所述盛行環(huán)境的效果的目標(biāo)湍流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SODAR方法，其包括以下步驟在300ms至3s之間的基本上相同的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，發(fā)射所述第一和第二聲學(xué)線性調(diào)頻脈沖中的每一個(gè)，在第一監(jiān)聽時(shí)間中，利用匹配濾波器技術(shù)，以抽取從所述空氣體積返回的第一線性調(diào)頻脈沖的聲學(xué)回波所產(chǎn)生的相位和幅度數(shù)據(jù)，以由此生成所述參考數(shù)據(jù)集，其中該第一監(jiān)聽時(shí)間基本上包括各個(gè)線性調(diào)頻脈沖的持續(xù)時(shí)間和短于該各個(gè)線性調(diào)頻脈沖持續(xù)時(shí)間的附加鄰接時(shí)期，在第二監(jiān)聽時(shí)間中，利用匹配濾波器技術(shù)，以抽取從所述空氣體積返回的第二線性調(diào)頻脈沖的聲學(xué)回波所產(chǎn)生的相位和幅度數(shù)據(jù)，以由此生成所述現(xiàn)行數(shù)據(jù)集，其中該第二監(jiān)聽時(shí)間基本上與該第一監(jiān)聽時(shí)間相同，和相對(duì)于所述第二監(jiān)聽時(shí)間，可視地描繪或用表格表示出該凈數(shù)據(jù)集，或者其中所選擇的部分，以圖示或表示該目標(biāo)湍流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的SODAR方法，其中聲學(xué)發(fā)射機(jī)被用來生成所述第二線性調(diào)頻脈沖，多個(gè)聲學(xué)接收機(jī)被等距地布置在該發(fā)射機(jī)周圍，每個(gè)接收機(jī)均被布置為接收和檢測(cè)來自于該發(fā)射機(jī)發(fā)射的每個(gè)第二線性調(diào)頻脈沖的回波，并且所述匹配濾波器技術(shù)被用來從每個(gè)接收機(jī)接收的回波信號(hào)中抽取相位和幅度數(shù)據(jù)，該方法包括以下步驟，對(duì)從該多個(gè)接收機(jī)抽取的相位和幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，以便表示該空氣體積內(nèi)的目標(biāo)湍流的水平和/或垂直運(yùn)動(dòng)。
4.一種檢測(cè)和/或量化空氣體積中短持續(xù)時(shí)間的地面附近的目標(biāo)湍流的SODAR方法，該方法包括以下步驟將具有300ms至3s的持續(xù)時(shí)間的第一聲學(xué)線性調(diào)頻脈沖發(fā)射到所述體積中，在第一監(jiān)聽時(shí)間中，利用匹配濾波器技術(shù)，以抽取從所述空氣體積返回的第一線性調(diào)頻脈沖的聲學(xué)回波所產(chǎn)生的相位和幅度數(shù)據(jù)，該第一監(jiān)聽時(shí)間包括所述第一線性調(diào)頻脈沖的傳輸加上其后比該線性調(diào)頻脈沖的持續(xù)時(shí)間短的相鄰接的期間，所述被抽取的相位和幅度數(shù)據(jù)形成現(xiàn)行數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集代表該空氣體積內(nèi)的目標(biāo)湍流和盛行周圍環(huán)境，和相對(duì)于所述監(jiān)聽時(shí)間，描繪或用表格表示出所述現(xiàn)行數(shù)據(jù)集的變化，以圖示或表示該湍流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的SODAR方法，其包括以下步驟當(dāng)該目標(biāo)湍流不存在時(shí)或者在該目標(biāo)湍流不存在的地方，將基本上與該第一聲學(xué)線性調(diào)頻脈沖相同的第二聲學(xué)線性調(diào)頻脈沖發(fā)射到所述體積中，在第二監(jiān)聽時(shí)間中，利用匹配濾波器技術(shù)，以抽取從所述空氣體積返回的第二線性調(diào)頻脈沖的聲學(xué)回波所產(chǎn)生的相位和幅度數(shù)據(jù)，以由此生成僅代表該盛行周圍環(huán)境的參考數(shù)據(jù)集，其中該第二監(jiān)聽時(shí)間的持續(xù)時(shí)間基本上與該第一監(jiān)聽時(shí)間相同，和對(duì)所述參考和所述現(xiàn)行數(shù)據(jù)集進(jìn)行差分，以生成凈數(shù)據(jù)集，該凈數(shù)據(jù)集代表具有降低的所述盛行環(huán)境的效果的目標(biāo)湍流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的SODAR方法，其中聲學(xué)發(fā)射機(jī)被用來生成所述第一線性調(diào)頻脈沖，多個(gè)聲學(xué)接收機(jī)被等距地布置在該發(fā)射機(jī)周圍，每個(gè)接收機(jī)均被布置為接收和檢測(cè)來自于該發(fā)射機(jī)發(fā)射的每個(gè)第二線性調(diào)頻脈沖的回波，并且所述匹配濾波器技術(shù)被用來從每個(gè)接收機(jī)接收的回波信號(hào)中取的相位和幅度數(shù)據(jù)，該方法包括以下步驟，對(duì)從該多個(gè)接收機(jī)抽取的相位和幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，以便表示該空氣體積內(nèi)的目標(biāo)湍流的水平和/或垂直運(yùn)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的SODAR方法，其中四個(gè)接收機(jī)被正交地布置在該發(fā)射機(jī)周圍，并被彼此相等地隔開，第一對(duì)接收機(jī)被布置在穿過該發(fā)射機(jī)的第一軸線上，第二對(duì)接收機(jī)被布置在穿過該發(fā)射機(jī)的第二軸線上，該方法包括以下步驟對(duì)從該第一對(duì)接收機(jī)中抽取的相位輸出進(jìn)行差分，以得到第一速度數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集代表該目標(biāo)湍流沿著所述第一軸線的運(yùn)動(dòng)速度，和對(duì)從該第二對(duì)接收機(jī)中抽取的相位輸出進(jìn)行差分，以得到第二速度數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集代表該目標(biāo)湍流沿著所述第二軸線的運(yùn)動(dòng)速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的SODAR方法，其包括以下步驟，合并該第一和第二速度數(shù)據(jù)集，以生成方向數(shù)據(jù)集，該方向數(shù)據(jù)集代表該目標(biāo)湍流相對(duì)于該發(fā)射機(jī)運(yùn)動(dòng)的方位角。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的SODAR方法，其中該空氣體積位于機(jī)場(chǎng)跑道、著陸進(jìn)場(chǎng)路徑或起飛路徑附近，并且在地面與300m海拔高度之間，其中該目標(biāo)湍流是由大型飛行器流出的尾流渦旋，并且其中該線性調(diào)頻脈沖或多個(gè)線性調(diào)頻脈沖基本上垂直地進(jìn)行發(fā)射。
10.一種SODAR方法，用于檢測(cè)和/或量化在300m海拔高度以下的機(jī)場(chǎng)著陸路徑或起飛路徑中的空氣體積中短持續(xù)時(shí)間的地面附近的目標(biāo)湍流，該方法包括以下步驟用發(fā)射機(jī)以銳角的仰角向上發(fā)射第一聲學(xué)線性調(diào)頻脈沖，該發(fā)射機(jī)位于該路徑的一側(cè)，以便聲學(xué)上照射連同空氣體積中的盛行風(fēng)環(huán)境一起的該目標(biāo)湍流；用橫穿該路徑且被間隔開的多個(gè)接收機(jī)，檢測(cè)從該空氣體積返回的線性調(diào)頻脈沖的聲學(xué)回波，使用參照發(fā)射機(jī)線性調(diào)頻脈沖波形的匹配濾波器技術(shù)，從各個(gè)接收機(jī)中抽取第一組相位和/或幅度數(shù)據(jù)，和利用該第一組所抽取的數(shù)據(jù)，生成現(xiàn)行合成孔徑數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集代表該空氣體積內(nèi)合并的盛行風(fēng)環(huán)境和目標(biāo)湍流。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的SODRA方法，包括以下步驟在不存在該目標(biāo)湍流但存在所述盛行風(fēng)環(huán)境的情況下，以所述銳角的仰角向上發(fā)射基本上與該第一聲學(xué)線性調(diào)頻脈沖相同的第二聲學(xué)線性調(diào)頻脈沖，以便聲學(xué)上照射該空氣體積，用多個(gè)所述接收機(jī)中的每一個(gè)，檢測(cè)從該空氣體積返回的所述第二線性調(diào)頻脈沖的聲學(xué)回波，使用參照發(fā)射機(jī)線性調(diào)頻脈沖波形的匹配濾波器技術(shù)，從各個(gè)接收機(jī)中抽取第二組相位和/或幅度數(shù)據(jù)，和利用所述第二組所抽取的數(shù)據(jù)，生成參考合成孔徑數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集代表該空氣體積內(nèi)的盛行風(fēng)環(huán)境，和對(duì)所抽取的第一和第二組相位和/或幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，或者對(duì)所述現(xiàn)行和參考合成孔徑數(shù)據(jù)集進(jìn)行差分，以表示沒有盛行風(fēng)環(huán)境或具有衰減的盛行風(fēng)環(huán)境的目標(biāo)湍流。
12.根據(jù)權(quán)利要求3或6所述的SODAR方法，包括以下步驟分別地對(duì)現(xiàn)行和參考數(shù)據(jù)集的相位和幅度分量進(jìn)行差分，以生成單獨(dú)的凈相位數(shù)據(jù)集和單獨(dú)的幅度凈數(shù)據(jù)集。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的SODAR系統(tǒng)，包括以下步驟對(duì)該凈相位數(shù)據(jù)集進(jìn)行微分，或確定該凈相位數(shù)據(jù)集的梯度，以加強(qiáng)被密集隔開并具有相反風(fēng)速的像渦旋一樣的目標(biāo)湍流的出現(xiàn)。
14.一種檢測(cè)和/或量化空氣體積中短持續(xù)時(shí)間的地面附近的目標(biāo)湍流的SODAR系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括聲學(xué)發(fā)射機(jī)裝置，適于將聲學(xué)線性調(diào)頻脈沖引導(dǎo)到所述體積中，以生成來自盛行風(fēng)環(huán)境和來自所述體積內(nèi)目標(biāo)湍流的第一組線性調(diào)頻脈沖回波，并將第二組基本上相同的聲學(xué)線性調(diào)頻脈沖引導(dǎo)到所述體積中，以生成來自于不存在該目標(biāo)湍流的盛行風(fēng)環(huán)境的第二組線性調(diào)頻脈沖回波，聲學(xué)接收機(jī)裝置，被設(shè)置為接收所述第一和第二系列回波，并生成代表所述盛行環(huán)境和湍流的現(xiàn)行數(shù)據(jù)集，以及僅代表盛行環(huán)境的參考數(shù)據(jù)集，差分裝置，適于對(duì)所述現(xiàn)行和參考數(shù)據(jù)集進(jìn)行差分，以生成凈數(shù)據(jù)集，該凈數(shù)據(jù)集表示沒有該盛行風(fēng)環(huán)境的目標(biāo)湍流，或者至少具有減輕的這種環(huán)境的效果的目標(biāo)湍流。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的SODAR系統(tǒng)，其中所述發(fā)射機(jī)裝置適于生成具有300ms與3s之間的持續(xù)時(shí)間的線性調(diào)頻脈沖，匹配濾波器被布置為接收來自于所述接收機(jī)裝置的輸出，并從其中抽取相位和/或幅度數(shù)據(jù)，所述現(xiàn)行和所述參考數(shù)據(jù)集包括這樣的相位和/或幅度信息，和所述差分裝置被布置為接收所述現(xiàn)行和參考數(shù)據(jù)集，并分別地對(duì)其幅度分量和相位分量進(jìn)行，以生成所述凈數(shù)據(jù)集。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的SODAR系統(tǒng)，其中所述發(fā)射機(jī)裝置包括第一發(fā)射機(jī)和第二發(fā)射機(jī)，所述發(fā)射機(jī)被被間隔開足夠遠(yuǎn)，從而單獨(dú)的目標(biāo)湍流不會(huì)被由兩個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖照射，但是所述發(fā)射機(jī)又足夠近，從而該盛行風(fēng)環(huán)境是共同的，所述接收機(jī)裝置包括第一接收機(jī)組件，位于該第一發(fā)射機(jī)附近，用于從由所述第一發(fā)射機(jī)發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖中接收第一系列回波，該現(xiàn)行數(shù)據(jù)集由該第一接收機(jī)組件的輸出生成，所述接收機(jī)裝置還包括第二接收機(jī)組件，位于該第二發(fā)射機(jī)附近，用于接收由所述第二發(fā)射機(jī)發(fā)射的第二系列回波，該第二數(shù)據(jù)集是由第二接收機(jī)組件的輸出生成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的SODAR系統(tǒng)，其中所述第一接收機(jī)組件包括四個(gè)獨(dú)立的第一接收機(jī)，等距且正交地位于該第一發(fā)射機(jī)周圍，以形成兩對(duì)相對(duì)的第一接收機(jī)，所述第一接收機(jī)中的每一個(gè)均向現(xiàn)行匹配濾波器輸出，該現(xiàn)行匹配濾波器適于在由各個(gè)第一接收機(jī)接收的回波中抽取相位數(shù)據(jù)，第一差分裝置被連接至所述現(xiàn)行匹配濾波器，并且適于對(duì)由其抽取的相位數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，以生成被差分的相位數(shù)據(jù)，該相位數(shù)據(jù)代表由該第一發(fā)射機(jī)的線性調(diào)頻脈沖照射的空氣體積內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的方向和水平速度，所述第二接收機(jī)組件包括四個(gè)獨(dú)立的第二接收機(jī)，等距且正交地位于該第二發(fā)射機(jī)周圍，以形成兩對(duì)相對(duì)的第二接收機(jī)，所述第二接收機(jī)中的每一個(gè)均向參考匹配濾波器輸出，該參考匹配濾波器適于在由各個(gè)第二接收機(jī)接收的回波中抽取相位數(shù)據(jù)，第二差分裝置被連接至所述參考匹配濾波器，并且適于對(duì)由其抽取的相位數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，以生成被差分的相位數(shù)據(jù)，該相位數(shù)據(jù)代表由該第二發(fā)射機(jī)的線性調(diào)頻脈沖照射的空氣體積內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的方向和水平速度。
18.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的SODAR系統(tǒng)，其中所述發(fā)射機(jī)裝置包括單獨(dú)的發(fā)射機(jī)，所述接收機(jī)裝置包括四個(gè)聲學(xué)接收機(jī)，被正交地布置于該發(fā)射機(jī)周圍并且到該發(fā)射機(jī)的距離相等，所述接收機(jī)被布置為相對(duì)的兩對(duì)，所述接收機(jī)中的每一個(gè)均向匹配濾波器輸出，該匹配濾波器適于在該接收機(jī)接收的回波中抽取相位數(shù)據(jù)，差分裝置，被連接至所述匹配濾波器，并且適于對(duì)從其中抽取的相位數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，以生成被差分的相位數(shù)據(jù)，該相位數(shù)據(jù)代表由該發(fā)射機(jī)的線性調(diào)頻脈沖照射的空氣體積內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的方向和水平速度。
19.一種在檢測(cè)和/或量化空氣體積中短持續(xù)時(shí)間的地面附近的目標(biāo)湍流中使用的SODAR系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括聲學(xué)發(fā)射機(jī)裝置，適于以銳角的仰角將聲學(xué)線性調(diào)頻脈沖引導(dǎo)到所述體積中，以生成來自于盛行風(fēng)環(huán)境和來自于所述體積內(nèi)的目標(biāo)湍流的第一組線性調(diào)頻脈沖回波，并且適于生成進(jìn)入到所述體積中的第二組基本上相同的聲學(xué)線性調(diào)頻脈沖，以生成來自于不存在該目標(biāo)湍流的盛行風(fēng)環(huán)境的第二組線性調(diào)頻脈沖回波，多個(gè)聲學(xué)接收機(jī)，被布置在從所述發(fā)射機(jī)裝置延伸出來的行上，所述接收機(jī)被置為接收所述第一和第二系列回波，并生成代表所述盛行環(huán)境和湍流的現(xiàn)行數(shù)據(jù)集，以及僅代表該盛行環(huán)境的參考數(shù)據(jù)集，用于接受所述現(xiàn)行數(shù)據(jù)集的裝置，適于將現(xiàn)行數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為合并的盛行環(huán)境和湍流的現(xiàn)行合成孔徑圖像，用于接受所述參考數(shù)據(jù)集的裝置，適于將參考數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為不存在該目標(biāo)湍流的盛行環(huán)境的參考合成孔徑圖像，和差分裝置，適于對(duì)所述現(xiàn)行和參考合成孔徑圖像進(jìn)行差分，以生成凈數(shù)據(jù)集和凈合成孔徑圖像，該凈合成孔徑圖像表示沒有該盛行風(fēng)環(huán)境的目標(biāo)湍流，或者至少具有減輕的這種盛行環(huán)境的效果的目標(biāo)湍流。
全文摘要
在機(jī)場(chǎng)(10)安置兩個(gè)SODAR系統(tǒng)(12a和12r)，用于檢測(cè)和辨別從正在著陸或正在出航的飛行器(14)中流出的渦旋(16)，從而一方面現(xiàn)行系統(tǒng)(12a)可能位于渦旋(16)，并且另一方面，參考系統(tǒng)(12r)位于遠(yuǎn)離該渦旋的位置，但位于相同的周圍環(huán)境中。因此，在出現(xiàn)風(fēng)槽或逆溫的情況下，兩個(gè)SODAR系統(tǒng)都檢測(cè)由此生成的回波(22和28)，但是只有現(xiàn)行系統(tǒng)(12a)能夠檢測(cè)來自渦旋(16)的回波(24)。通過對(duì)參考系統(tǒng)和現(xiàn)行系統(tǒng)的輸出進(jìn)行差分，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的渦旋識(shí)別和辨別。當(dāng)正常環(huán)境在飛行器活動(dòng)之間充分占據(jù)優(yōu)勢(shì)時(shí)，僅需要一個(gè)SODAR系統(tǒng)，這是因?yàn)樵陲w行器不存在時(shí)所進(jìn)行的讀取能夠被用作參考數(shù)據(jù)，以便從飛行器出現(xiàn)期間所記錄的現(xiàn)行數(shù)據(jù)中減去。
文檔編號(hào)G01S15/02GK1849528SQ200480025668
公開日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2004年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月11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