声波探空方法及设备技术

本发明专利技术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。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用声学脉冲来进行大气探空或探测的技术。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁路易斯马丁，
申请(专利权)人：电信网络信息有限公司，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]