一种使用长啁啾和发送－收听－同时技术的收发合置声雷达系统，其采用具有一致主波瓣（Ｔｗｍ，Ｒｗｍ；Ｔｖｍ，Ｒｖｍ；Ｔｅｒｎ，Ｒｅｍ）的接收机－发射机对（Ｔｗ，Ｒｗ；Ｔｖ，Ｒｖ；Ｔｅ，Ｒｅ）。该系统利用数字时域匹配滤波器和使用频率调制或数字调制（例如，ＢＰＳＫ）的啁啾。也可以利用数字频域匹配滤波。在将啁啾传输至大气中之后，该匹配滤波器产生表示从大气返回的回声信号的相位和振幅的采样流。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于在低层大气中进行探测的声雷达方法和装置，并且特别 适用于由位于发射机附近的一个或多个接收机检测后向散射回声的"收发合 置"系统。不过，根据一些实施例，本专利技术还适用于由远离发射机(相对于 探测范围的距离)的一个或多个接收机检测前向散射回声的"收发分置"系 统。应该理解，本领域中可以发现术语收发合置和收发分置的更狭义的应 用，其中"收发合置"表示发射和接收使用相同天线的系统(如同在雷达中 很普遍的那样)，而"收发分置"用于发射天线和接收天线分开的系统。这 种狭义的应用不利于可以采用"发送-收听-同时，，技术的声雷达，因此此处 并未使用。在本说明书中，术语"啁啾(chirp)"被用作对声雷达探测中所使用的号的返回回声分量的方式进行编码或调制。技术背景在我们先前的美国专利6,755,080和我们先前的国际专利申请 PCT/AU2002/01129、 PCT/AU2004/00175及PCT/AU2004/00242中，通过利 用i)长啁啾，ii)发送与接收重叠的"发送-收听-同时"技术，以及iii) 利用对啁啾的编码进行匹配滤波，以从所接收的信号中提取回声数据，处理 了 (address)声雷达中低信噪(s/n)比的中心问题。该专利及这些申请中 对现有技术的讨论合并于此。在本专利技术的上下文中，"长"探询或发送脉冲被认为是在接收所关注的第一回声之前还没有结束的那个啁啾，因此需要发送-收听-同时技术。不容置疑地，优选带宽为3-10kHz且在100ms与几十秒之间的啁啾。我们的发送 -收听-同时技术的最大优点在于i)通过利用长啁啾，可以获得非常大的处 理增益，ii)不再需要与短脉冲相关的高峰值功率；以及iii)消除了对发送 然后收听声雷达的范围和功率限制。我们发现，发送-收听-同时技术在收发 分置声雷达中完全实用，这是因为低峰值发送功率、高动态范围接收机麦克 风、接收机对直接信号良好的声屏蔽以及高系统处理增益的组合使得易于检 测直接信号"后面，，的回声。(所述直接信号为在发射机与接收机之间直接 进行传送而不被大气反射的信号。)我们先前的专利申请公开了其它有利的声雷达技术，例如，对多个匹配 接收机的输出进行选择性地组合以基本消除不期望的信号分量的技术，以及 特有的处理所提取的回声数据以为气象学家和空中交通控制器生成取值信 息的方法。虽然我们先前的专利申请并不局限于利用傅立叶或频域匹配滤波 器技术，所述实际示例却例示性地提供这些技术，原因如下i)实现时域 匹配滤波器方法属于计算上的要求，而且无法在使用长啁啾时即时生成可视 化显示，以及ii)在多普勒回声分量重要的情况下，时域匹配滤波器方法较 之计算上高效的傅立叶方法要差。现在我们意外地发现，在收发分置系统和收发合置系统中无需过大的计 算能力就可以实现时域匹配滤波器对接收信号的适当处理。我们还发现，两 个其它因素对此有利，尤其是在更复杂的收发合置系统中 一个因素是关注 发射机-接收机对的排布和校准，另一个是利用窄带宽啁啾。这样，在利用 带有FM (频率调制)或DM (数字调制)啁啾的时域匹配滤波时，这些因 素似乎对从所接收的信号恢复多普勒分量有明显的改进。实际上，这些因素 还改进了利用编码的啁啾和傅立叶频域匹配滤波的声雷达系统。
技术实现思路
根据一个方面，本专利技术在发送-收听-同时的声雷达中对所接收的声雷达信号采用时域、匹配滤波。优选地，所述匹配滤波采用复数技术(即，利用 实值和正交值)来生成振幅和相位回声信息，不过在仅有回声振幅信息就足 够的情况下可以采用非复数的处理。在采用复数处理的情况下，可以-使时间 采样后的接收信号的复共轭与发送信号的复共轭互相关，以便削弱信号噪声 并且提高回声信号分量，从而得出回声相位和振幅数据，可以对所述数据进 行有效处理以便将取值的输出提供给气象学家，正如我们先前专利申请中所 教导的那样。无论是时间采样后的发送信号还是接收信号都可以在相关之前 进行巻积，以增强辨别力。实际上，既可以实现巻积式匹配滤波器又可以实 现非巻积式匹配滤波器，并且可以对结果进行比较和选择。这在返回信号包 含明显多普勒分量的情况下非常有利。我们已经发现，在形成接收信号复共轭之前或之后，虽然不是必需的， 但是所期望的是使所接收的信号经受利用傅立叶技术的带通滤波或至少低 通滤波。虽然这种滤波之前已具有经济优势，但是我们发现，对实共扼和正 交共轭接收机数据流分开滤波更为可取。根据另一方面，本专利技术涉及利用虽然不是必需的，但优选小于500Hz 的窄带宽啁啾以及所发送信号与所接收信号的时域相关性。这种组合看来具 有有效的协同作用。不过，有关啁啾持续时间的问题与我们先前专利申请中 所论述的相比并没有改变。也就是说， 一方面在脉沖持续时间与s/n之间具 有重要的折衷，而另一方面(给定系统速度下的)计算负载似乎未受太大影 响。虽然不是必需的，但优选的是，无论是数字调制(DM)还是频率调制 (FM)的啁啾，其带宽与中心频率之比均小于0.35,优选小于0.25，而最 优选为小于0.2。可以发现，低于0.04太多是不期望的。因此，对许多系统 来说，啁啾带宽与中心频率之比的最佳范围位于0.04和0.2之间，优选位于 0.05和0.01之间。在这些范围内的啁啾被称为"窄啁。秋"。当啁啾带宽降 至使所述比低于0.05时，系统的分辨率开始急剧恶化，使得在啁啾带宽与 中心频率之比为0.02的情况下，所述分辨率严重恶化。这样形成啁啾带宽的应用下限。下i)与直觉相反，期望利用具有比先前被视为有效的带宽更少周期的探 询信号(即明显少的信息)获得更好的分辨能力，以及ii)科学文献并未提 出在宽频带内声雷达系统的性能很大程度上与脉冲带宽无关。对这种不可思 议的现象我们已经研究了 一段时间，并且现在确信它与大气的固有特性有 关，该特性以有利于刚提到的匹配滤波器处理的类型的方式影响返回回声的 相位相干性。虽然下文中提供这种推论的一些科学依据，但是这种阐述的正 确性并不影响在声雷达中利用窄啁啾所提供的益处发现的有效性，而且也不 影响以上所勾勒的本专利技术的权利要求或保护范围。虽然设想可以利用简单的 线性FM发送啁啾，例如频率随着时间线性上升或下降的啁啾，但是本专利技术 的另一方面涉及音频载波信号的非线性调制，以便产生适合对所接收信号进 行匹配滤波处理的啁啾。本专利技术的上下文特别关注的是适合在时域中进行脉 冲压缩和匹配滤波处理的带宽受限的非线性啁啾。例如，可以在比上述我们 先前专利申请中实际设想低得多的采样速率(数据点)下，以实现接收后脉的啁啾进行相移键控(调制)。这使得利用目前可用的个人计算机(PC) 实现回声数据的实时处理完全可行。具体地说，这种非线性调制啁嗽包括展 示脉沖压缩特性的DM啁啾，这些啁啾的基本原理是众所周知的。而且如同我们先前的专利中公开的那样，多个接收机可以等距地分布在 以发射机为中心的周围，以便各个接收机接收的直接信号本质上相同，但接 收的回声信号不同。这允许对所接收的信号求和或求差，从而削弱直接信号 并加强所选择的回声信号的分量。 一种方便的排布结构是采用四个位于发射 机周围罗盘的方位基点的接收机，所述发射机铅垂指向，而且各接收机沿其 相应基本罗盘轴成一定的角度指向。这大大简化了本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于生成关于一定高度范围上大气参数的信息的收发合置声雷达系统，其中： 至少有３个外围发射机－接收机对，大致等距地配置在一圆周上， 每个所述外围对中的发射机和接收机以与铅垂线成一定角度关于所述圆周沿径向向外倾斜， 每个发射机和接收机均包括声换能器、声反射器和环境隔音器，以便由一个发射机的声传输引起的从大气返回的回声相对于其它所有接收机来说，优先被相应发射机－接收机对中的那个接收机接收，以及 信号处理装置，连接至每个发射机－接收机对，并适于： 使发射机－接收机对中的至少一个发射机将具有至少１００ｍｓ持续时间的编码的声啁啾发射至大气中， 在所述啁啾的传输期间以及此后的一定时间间隔内，处理相应对中的那个接收机所接收的信号，从而得出表示所述大气参数关于高度的信息。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【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：温德比克私人有限公司，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。