CN1849528A - 低层大气中尾流涡旋等的检测 - Google Patents

Abstract

在机场(10)安置两个SODAR系统(12a和12r)，用于检测和辨别从正在着陆或正在出航的飞行器(14)中流出的涡旋(16)，从而一方面现行系统(12a)可能位于涡旋(16)，并且另一方面，参考系统(12r)位于远离该涡旋的位置，但位于相同的周围环境中。因此，在出现风槽或逆温的情况下，两个SODAR系统都检测由此生成的回波(22和28)，但是只有现行系统(12a)能够检测来自涡旋(16)的回波(24)。通过对参考系统和现行系统的输出进行差分，能够实现更好的涡旋识别和辨别。当正常环境在飞行器活动之间充分占据优势时，仅需要一个SODAR系统，这是因为在飞行器不存在时所进行的读取能够被用作参考数据，以便从飞行器出现期间所记录的现行数据中减去。

Description

低层大气中尾流涡旋等的检测

技术领域

本发明通常涉及声雷达(SODAR)装置、方法和系统，用于检测、记录和/或显示短持续时间或异常的大气湍流，例如从大型飞行器、大型造风机螺旋桨等等流出的尾流涡旋，以及例如在盛行风中由高大的人造或自然建筑物生成的偶发顺风涡旋或湍流。本发明非常适于在主要机场附近对飞行器尾流涡旋的检测和/或显示，以便增强机场安全和交通运输管理。

换句话说，本发明通常涉及的湍流类型是这样的，它出现在平静的或者相对温和或稳定的气象条件下，并且未受到气象预报技术的预测。实际上，所关注的涡旋很少形成于并且极其少见地持续于存在高度的大气混合的阵风或暴风条件下。确实在这些条件下形成的任何涡旋的能量都容易快速消散。

背景技术

本说明书要结合我们的在先国际申请PCT/AU01/00247、PCT/AU02/01129、PCT/AU04/00242来阅读，这些申请涉及SODAR系统，上述系统利用以“脉冲压缩”方式进行编码的长脉冲，利用所接收的回波的过采样以获得良好的分辨率和处理增益，并且利用所采样的回波的复数傅氏域处理来实现信噪比的进一步辨别和处理增益。在我们的在先申请中采用的脉冲——一般称作“线性调频脉冲(chirp)”——最好是具有数十秒级的持续时间。所采用的脉冲压缩技术最好是在脉冲持续时间上相位(音调)的线性增加或降低；例如，音调从500到1500Hz的稳定增长，或者音调从1500到500Hz的稳定下降。所公开的方法包含“在发送时监听”；也就是说，当线性调频脉冲的传输仍在进行中时，接收并处理回波。该技术不仅能够得到非常高的系统和处理增益，这能够产生格外好的s/n(信噪比)，而且能够检测出现在地面附近的大气突变层(discontinuity)。由于现有技术不能够“在发送时监听”，因此必须要在短距离内使用大功率的短脉冲，并遭受所造成的非常差的系统和处理增益。这些现有技术的SODAR基本上不能检测和显示具有辨别范围广阔的机场环境中的涡旋所需的较高的空间性和时间性。

尽管在我们的在先申请中所公开的SODAR系统能够检测尾流涡旋，并能够监控机场附近的气流情况，并且与该领域先前可能达到的相比，具有更高的灵敏度和精确度，但是它们仍然对显示涡旋“寿命”存在困难；例如，当它们形成、衰落、传播到地面，或者在几秒或几分钟的时期内消散时，跟踪由正在着陆的飞行器形成的风切变扰动。

为了简便起见，将我们前述申请中的公开内容合并于此，包括这些申请的说明书中包含的现有技术的广泛讨论。另外，在这些说明书中解释和定义了在这里使用的某些术语。

发明内容

本发明基于这样的认识，所关心的短期异常大气湍流(此处被称作“目标湍流”)难以可靠地通过SODAR方法来检测、隔离和显示，因为它被嵌入于很少内在关心的周围环境、“正常的”或当时的大气突变层中，而不管这样的突变层可能包括由气流生成的(非目标)湍流的事实。因此，从一个方面讲，本发明的方法包括检测或辨别嵌入于盛行环境(prevailing condition)内的目标湍流，并分别地检测或辨别缺乏目标湍流的盛行环境，然后求出两个结果之差以生成一个输出，该输出表示缺乏盛行环境或具有至少降低了的盛行环境的目标湍流。

为了方便起见，所关心的目标湍流在这里也可以称作“涡旋”或“涡旋系”。在涡旋环境中生成的系统数据集或信号可以称作“现行”数据集或信号，在盛行环境下生成的那些可以被称作为“参考”数据集或信号，而通过差分(difference)现行和参考数据集或信号而生成的输出可以称作“净”数据集、信号或输出。

参考和现行输出最好是由具有共同盛行环境的、处于不同时间的相同SODAR系统，或者位于不同位置的基本上同样的SODAR系统来生成。这能够确保最小的系统相关差值(system-dependent difference)影响现行和参考数据或信号的比较或差分。

可以采用某些自动检测目标湍流的出现的手段，从而能够在适当的时间和/或地点生成现行和参考输出。这能够通过各种方式来完成。SODAR系统自身能够用来检测本地风速(矢量)、风切变等参数的存在，这些参数超出了密度的预设阈值，并且在预先确定的距离范围之内。该方法适用于千米级的距离范围，或者目标湍流是真实的——例如“尘暴”或飓风——并且是相当罕见或少见的。在关心机场附近的低空飞行器尾流涡旋的情况下，可以假定在飞行器进场之前，在最后一个飞行器着陆之后的几分钟，或者在距离所使用的进场航道/起飞航道一定距离的位置，正常环境一直占据主导地位。这是因为尾流涡旋具有普遍较短的持续时间(通常具有数秒级，但偶尔也具有数分钟级)。因此，利用取决于飞行器在给定跑道进场或离开的可视和/或可听提示，能够人工地或自动地启动正常和涡旋湍流测量。

在关心来自于造风机的涡旋的情况下(并且假定为持续不断地流出)，能够通过使用位于足够远离该造风机的第二参考SODAR系统来生成参考信号，它的涡旋很清楚但并不是那么远，以便具有不同的盛行环境。

被SODAR系统用来识别出现所关心的扰动的大气参数，无需与用来生成正常、参考和涡旋信号或显示的那个或那些参数相同。例如，高于预定阈值的垂直风速的检测可以用来触发从正常/参考到湍流信号生成的切换，但是组成参考和湍流信号的这些参数可以包括水平风切变、风速、虚温度、折射率等，包含或者不包含垂直风速参数。同样，由正常和参考信号的比较而得到的涡旋信号的生成，可以包括每个信号的所有组成参数的比较，或者只有所选择的参数的比较。

我们的在先国际申请公开了SODAR方法和装置，用于利用长线性调频脉冲(超过100ms)来推导大气参数，并利用“在发送时监听”的新颖技术来大大增加关于最大发射机功率的处理增益。这样的技术要求利用匹配滤波器，参考所发射的线性调频脉冲波形以便抽取所返回的回波内的相位和幅度信息。匹配滤波器最好是这样的滤波器，其使用傅立叶方法并且能够实现频域上而不是时域上的滤波，尽管此处也可以设想后者。从现行和参照返回中抽取的相位和/或幅度数据集最好是任一个或两者都用于实现相当于以上的差分。

鉴于在检测机场附近的飞行器涡旋中包含的短距离，从另一方面，本发明包括一种系统，其中横穿或顺着飞行路线来布置固定的一系列SODAR接收机，用SODAR发射机照射接收机上方和接收机附近的空气体积，对接收机的输出进行处理且合并为合成孔径(synthetic aperture)，以生成该空气体积内大气涡旋的可视显示。参考和现行合成孔径输出的比较再一次被用来生成所期望的涡旋输出。

由于目标湍流通常具有相对较短的寿命，并且相对密闭，因而此处最好是采用较短的线性调频脉冲，以便允许在目标湍流的寿命期间允许进行频繁的声探测(sounding)。我们已经发现，大约300ms到3s之间的询问线性调频脉冲非常适用于在高达几百米的范围之内进行尾流涡旋的检测。因此，对于大约150m的范围，我们使用大约1.5s的询问脉冲和大约2.5s的监听时间(包括大多数或所有发射时间)。对于大约300m的范围，我们更喜欢使用大约1.5s的线性调频脉冲和大约3.5s的监听时间。很短的发射时间是所希望的，以便确保能够检测到涡旋环境的迅速变化，并确保更新周期很短。比大约2s长很多的脉冲有可能无法充分地解析出由风轮机或飞行器流出的涡旋。

实例描述

现在将参照附图，对描绘了本发明性质的特别例子进行描述。然而，本领域技术人员能够理解，当符合如上所述的本发明的范围时，能够对所选择的例子做出许多变化和修改。

附图说明

在附图中：

图1是从侧面来看，沿东西方向延伸的机场跑道的简图，在每一端都具有SODAR系统，用于检测和显示由着陆的飞行器和/或起飞的飞行器留下的涡旋。

图2是从一端来看的图1跑道的简图，示出了SODAR系统之一及生成尾流涡旋的飞行器。

图3为方框图，示出了图1的两个SODAR系统的主要功能元件，以及由各个系统中单一接收机的输出来生成合适输出显示的方式。

图4是图1的SODAR系统之一的一个接收机的模拟输出的时间/频率曲线。

图5是图3的SODAR系统之一中匹配滤波器的累积相位(多普勒)输出曲线，连同示出该曲线表示的涡旋的简图。

图6(a)、(b)和(c)是相对于图3的方框图中三个点的累积相位的三条高度(海拔高度)曲线。

图7(a)、(b)和(c)是相对于图3的方框图中三个点的幅度的三条高度(海拔高度)曲线。

图8是类似于图3的两个SODAR系统的方框图，但是其中利用了每个系统中五个接收机的输出。

图9是具有正在着陆的飞行器的跑道附近的飞行路线的概略横切面视图，一排接收机被布置为横穿该飞行路线以用作合成孔径。

图10是示出集成在合成孔径系统中的图9的接收机的方框图。

具体实施方式

所选择的实例涉及SODAR系统和技术，其能够检测和显示——接近于实时地——由大型飞行器在150m海拔高度以下在机场上着陆而引起的尾流涡旋。应当注意，由于它们相对较差的s/n(在其他因素之中)，现有技术的SODAR系统已经不能检测和描绘这么低的海拔高度的尾流涡旋。实际上，没有一个现有技术的系统——包括RADAR、LIDAR和RASS——看起来似乎能够迎接该挑战。

图1的简图示出了：东西方向定位的跑道10，位于跑道10西端的滑翔道之下的第一SODAR系统12a，位于跑道10东端的滑翔道之下的第二同样的SODAR系统12r，正在进场的飞行器14，以及由飞行器14流出的曳尾涡旋(trailing vortices)16。风切变槽(duct)18(用虚线表示)在整个机场上延伸，并且包含某些涡旋16。在该例中，系统12a充当现行系统(由涡旋16生成现行数据)，而系统12r充当参考系统(由包括槽18的周围环境生成参考数据)。

当飞行器从东向西着陆时，可以颠倒SODAR系统12a和12r的角色。在具有很长跑道的大型和繁忙机场中，使用系统12r为系统12a参照周围环境(反之亦然)可能是不方便的或不合乎需要的，因为周围环境在两个位置可能并非基本上相同。在这种情况下，能够独立地操作系统12a和12r，以便在飞行器着陆之间的相当时期中，生成它们自己的参考数据。物理上分离的参考系统的描述是为了举例说明的方便。

便利地，SODAR系统12a和12r可以是我们在先申请中公开的那些，其中将四个接收机放置于靠近中央发射机的方位基点上，并且它们的轴线朝向发射机的垂直轴线略微倾斜。当出现有意义的盛行风时，第五垂直指向的接收机也用来参与确定垂直风速。在没有风的寂静日子里，只利用一个接收机(最好是垂直的一个)就能够获得关于大型飞行器的有用结果。在图1中，现行系统12a的发射机用Ta表示，而它东边和西边的接收机用Rae和Raw表示，现行系统12a的其他三个接收机在该图中未被示出。同样，参考系统12r具有发射机Tr和五个相邻的接收机，在图1中仅示出了东边和西边的接收机，Rre和Rrw。由发射机Ta照射的基本上为垂直圆锥形的空气体积用点划线20来表示，从槽18反向散射的所发射线性调频脉冲的回波用箭头22表示，而从涡旋16反向散射的所发射线性调频脉冲的回波用箭头24表示。这两组回波通常都用系统12a的所有接收机来接收，尽管返回到各个接收机的那些回波能够轻微地——但却非常重要地——相互区别。

这个例子中的涡旋检测和辨别系统发射持续时间大约为1.5s的线性调频脉冲，并且具有大约2.5s的监听时间，其中包括所发射的线性调频脉冲的持续时间。在所发射的线性调频脉冲结束之后的1.0s的监听时间提供大约150m的所需范围。从控制和编程的立场来看，使用简单线性的线性调频脉冲是便利的，该简单线性的线性调频脉冲从大约1000Hz的音调升高到大约2500Hz。然而，如在我们在先申请中所教导的那样，可以使用许多其他的波形，只要它们适于采用傅立叶或时域方法来进行脉冲压缩。

图2是从进场飞行器14的西边来看的侧视图，在图2中连同涡旋16、槽18和它们各自的回波24和22一起，示出了现行系统12a北边的和南边的发射机Ran和Ras。

在图1中，参考SODAR系统12r的发射机用Tr表示，东边和西边的发射机用Rre和Rrw表示，Tr所照射的锥形物用点划线26表示。所照射的锥形物26包括风切变槽18，它生成从发射机Tr传输的回波信号28，该回波信号28将返回到系统12r的所有接收机。一般可靠地假定，所提供的现行和参考系统12a和12r基本上是相同的，回波信号19和26也将是几乎相同的。当然，诸如18的槽，连同与它们相关联的风切换、温度梯度和温度逆增一起，凭借它们本身的头衔，具有真正的意义，而由参考系统12r采集的数据将构成机场10的气象报告和预报的重要输入。这正是如我们的在先专利申请所教导的那样，采用布置在环绕单一发射机周围的方位基点上的至少四个接收机的重要原因。

如从图3能够看出的，每个SODAR系统12a和12r实质上均包括连接至各自的系统发射机和接收机的计算机、PCa和PCr(各自地)。现行系统12a示出了垂直定向的接收机——用Rav表示——在图1和图2中未被示出。同样，将参考系统12r被显示为连同在图1中未被示出的垂直接收机Rrv一起，包括其北边和南边的接收机，Rrn和Rrs。所希望的是，如果采用分离的现行和参考系统，那么他们是基本上相同的，从而相位和其他延迟、增益和频率特性能够良好地匹配。这最小化了系统所引入的误差和不准确性。

现行系统12a的计算机PCa通过公知设计的数字声卡30连接至其接收机和发射机，数字声卡30包括用于驱动其发射机Ta的模拟输出32，和用于接收来自其五个接收机的信号的五个模拟输入，在这种情况下只接受来自垂直接收机Rav的输出34(如以下所解释的)。接收机信号可以是数字或模拟形式的，并且如果是模拟的(如此处所采取的)，PCa的声卡将不需要将这些信号转换为经过采样的数字格式。同样，参考系统的计算机PCr通过其声卡36连接至其发射机和五个接收机，只接受来自垂直接收机Rrv的模拟输入38(如以下所解释的)。计算机PCa和PCr一般包括它们自己的屏幕40和41，用于以图形格式显示从其接收机获得的数据，PCa的屏幕40显示由接收机Rav检测的合成的槽回波和涡旋回波(分别是22和24)而获得的数据，PCr的屏幕41显示由垂直接收机Rrv检测的槽回波而独自获得的数据。

当使用SODAR12a从下面观察涡旋16时，一个人能够“看到”多普勒相移，其代表了尾流涡旋迅速向下移动以及迅速向上移动的空气流特性。为此目的，仅使用现行系统12a中垂直指向的接收机Rav一般就足够了。因此，如果只有垂直接收机Rav被用于涡旋检测，只有来自于垂直接收机Rrv的参考信号能够更好地用于辨别涡旋16。由于这个原因，图3中的实线仅示出了接收机Rav和计算机PCa之间的连接，并且仅示出了接收机Rrv和计算机PCr之间的连接。因此在考虑图3时可以忽略其他接收机的输出，但是将参照图4来描述它们的使用。

因此，计算机PCa的声卡30仅接收并数字化来自于垂直接收机Rav的模拟输出34，并通过参考在线44上输入给滤波器43的发射机驱动器信号32的数字采样流，将所得到的数字采样流在线42上输入给计算机PCa中装备的匹配滤波器43。滤波器43的输出包括线45和46上的相位和幅度数据流|A|和Φ，它们被(分别地)馈送给相位差分单元或功能块47和幅度差分单元或功能块48。以完全相同的方式，将来自接收机Rrv和发射机Tr的数字化采样流馈送给匹配滤波器49，而将来自滤波器49的相位和幅度输出在线50和51上分别馈送给相应的差分单元47和48。线52上相位单元47的差分输出在单元或功能块53中进行微分(differentiate)，将所得到的梯度输出[ΔΦ]在线55上馈送给涡旋分析、显示和记录单元或功能块54。同样将幅度差分单元48的输出在线56上馈送给单元52。能够在PCa的屏幕40上显示来自匹配滤波器43的“现行”幅度和相位输出，同样能够在PCr的屏幕41上显示来自匹配滤波器49的“参考”幅度和相位输出。

现在转到图4-7，这些图是在图3中不同点的信号的曲线，图4的曲线图是在SODAR系统12a的操作期间在线34上馈送给声卡30的现行垂直接收机Rav的模拟输出的时间/频率曲线。粗黑体斜对角界线56是在发射机Ta和接收机Rav之间直接水平传送的强直达线性调频脉冲信号，而不管最小化该“直达信号”的适当声学屏蔽的使用。它具有1.5s的持续时间。更黑的斑点线57是直达信号56的第二谐波，它也是由发射机Ta生成的，并直接传送给接收机Rav。以直达信号56为底的平行四边形58表示在2.5秒的整个监听周期期间，使用接收机Rav中适当的滤波器而收集的回波信息(连同直达信号和噪声一起)。该信息(和噪声)通过计算机PCa的声卡30被采样成为240,000个数字采样的数据集。由接收机Rav的输出不能可视或可听地识别任何回波信号，这种识别要求匹配滤波器技术的使用(本领域所公知的，并且在我们的在先专利申请中已经进行了教导)。

图5的曲线图是图3中线45上连续采样之间累积的相对相位变化(或水平轴线上的多普勒位移)的曲线。由于采样的连续性代表高度或海拔高度，在垂直轴线上表示高度而不是采样数目。该曲线是用图3的系统由来自PCa的匹配滤波器43的在线45上的相位数据输出生成的，而无须在单元47中用线50上来自PCr的参考相位数据进行差分。如从图4能够看出的，该相位曲线表示最大圆周速度为14m/s，直径大约为20m的旋转涡旋。这产生了大约880m²/s的旋转力，这异乎寻常的强大，并且能够无疑地将轻型飞行器卷入该涡旋。该数据是在一个异乎寻常寂静的无风日子里，在墨尔本机场由波音737在着陆前的拉平(flare-out)期间获得的，并且是异常的。

不管图5的异常输出，仅单独地利用来自现行SODAR系统的相位数据来辨别具有任何置信度的涡旋，这通常是非常困难的；也就是说，不与参考相位进行差分，并且不与来自现行和参考数据集的差分幅度输出进行交叉检验。图6和7示出了更普遍获得类型的相位和幅度曲线(数据集)。这些曲线也是从墨尔本机场的波音737获得的，但是在这样的一个日子里，具有速度大约为8节的相当阵风性的低能级风。图6的曲线(a)、(b)和(c)来自于(分别地)线50上来自参考匹配滤波器49的、线45上来自现行匹配滤波器43的、和线55上去往分析和显示单元54的相位数据集(数字采样流)输出，需要注意的是，曲线(c)是来自单元47的差分输出的相位梯度。尽管在曲线(b)中很可能在大约40m高处出现涡旋，它要求与参考曲线/数据集(a)进行差分，并接下来在单元53中进行微分，以便在曲线(c)中产生同样也是40m高处的经证实的峰值。通过交叉检验，图7的幅度曲线部分(a)、(b)和(c)分别源自线51上来自参考匹配滤波器49的参考幅度输出数据集、线46上来自现行匹配滤波器43的现行幅度数据集、和线55上的差分数据集。图7的差分幅度曲线(c)中在40m高处出现最强峰值，与图6中差分相位曲线(c)的最强梯度峰值的明显一致，提供了在40m高处出现重要涡旋的有力确认。也可以通过对这些曲线的检查和计算得到该涡旋的特征。

尾流涡旋的研究中所关心的主题是它们的持续时间、漂移、下沉速度和关于时间的衰落。这可以按照我们的在先专利中概括地给出教导的方式，利用图3所示现行和参考SODAR系统的其他接收机来完成。因此，图8以头脑中存有该目标的不同观点，示出了图3的系统。假定以用于所有接收机(和用于所发射的线性调频脉冲)的相同速率，对每个SODAR系统12a和12r的每个接收机的输出进行采样和数字化，从而在各个系统中由各个接收机生成相同数目的采样。如图3中一样，采用1.5s的相同脉冲长度、2.5s的相同监听时间和96Hz的相同采样速率将是很便利的。这样就在每个询问周期中由每个接收机产生240,000个采样的流。

为了从噪声和直达发射机信号中抽取所需的线性调频脉冲回波，连同无噪声的采样流Tas一起，将每个接收机采样流(或数据集)馈送给匹配滤波器MF，Tas表示1.5s发射的脉冲(以相同的96kHz速率来采样)，1.0秒的重叠用零来填充。在图8中，匹配滤波器用MF表示，所采样的现行发射信号用Tas表示，而所采样的参考发射信号用Trs表示。优选地，匹配滤波器使用傅立叶技术，而回波识别和抽取出现在傅氏域或频域，来自每个匹配滤波器的输出最好是代表回波信号的相位[Φ]的96kHz的采样流(数据集)、和代表回波信号的幅度[|A|]的96khz的采样流(数据集)。为了测量水平风速和方向，需要(如我们在先专利申请中所教导的)移除由垂直风引起的相位(或多普勒)分量。

因此，在现行SODAR系统12a中，这可以方便地完成，通过分别地在单元或功能块60中差分所抽取的北边和南边的脉冲信号，而在单元或功能块62中差分东边和西边的脉冲信号，并且以如我们在先专利申请中所教导的方式，利用这些结果分别地在单元或功能块64和66中计算水平风向和风速。现行系统12a的这些风的参数当然可以包括由于涡旋产生的分量，以及由于盛行风和异常环境产生的分量。因此，将来自单元64的水平风向数据集馈送给差分单元或功能块70。垂直接收机Rav的幅度和相位输出表示了从涡旋和周围风垂直返回的回波的垂直风速和幅度——这用72来表示，这些相位和幅度输出被馈送给差分单元或功能块74。如箭头78所示，将连接至接收机Ran、Ras、Rae和Raw的匹配滤波器的四个幅度信号，作为输入直接馈送给分析、显示和/或记录单元或功能块76。

参考SODAR系统12r基本上与现行系统12a相同，并且以与刚刚为现行系统12a所描述的完全相同的方式来操作，唯一的区别在于由涡旋产生的回波不会出现在系统12r的五个接收机的输入端。因此，将包括垂直风速和幅度分量(用80表示)的数据集馈送给差分单元74，将在单元82计算的参考水平风速数据集馈送给差分单元70，而将在单元84处的参考水平风向数据集馈送给差分单元68。并且，如箭头86所示，将来自连接至参考接收机Rrn、Rrs、Rre和Rrw的匹配滤波器MF的幅度分量直接馈送给显示单元78。当然，由单元68、70和74中的差分操作得到的数据集也被馈送给单元78。

如在我们的在先申请中所教导的，每个系统12a和12r中的垂直风速可以通过处理北边、南边、东边和西边的信号来近似，而非利用分离的垂直接收机Rav和Rrv。然而，最好是使用专用的垂直接收机。应当理解，生成表示风向、风速和回波幅度的数据集所涉及的计算不需要为各个数据集的每个和各个采样而发生，因为正如本领域所公知的，可以对固定数目的相邻采样进行“重新划分”或取平均，以降低计算负荷。

也应该理解，作为替换，来自相应的现行和参考接收机的各个所抽取信号能够在匹配滤波器MF之后，而不是在确定风速和风向之后进行差分。然而，这将对计算能力有稍微更高的要求。尽管也设想过能够对现行和参考系统的未处理的接收机输出进行差分，但这是不太合乎需要的，因为它容易使s/n降级。正如在图3的讨论中已经指出的，能够在现行和参考系统中分别地计算关于高度的三维风速向量，并且能够根据本发明的原则对这些向量进行差分。这样做的希求将取决于分别计算这些向量所引入的不准确度的数量。

应当理解，图3和8的框不需要代表分离的物理项目，而是可以简单地代表由单一系统或计算机执行的功能。例如，(已经指出)在大型飞行器着陆之间存在的晴空中，本质上不提供分离的参考和现行系统，从而SODAR系统能够进行参考读取。因此，这种组合系统可以简单地包括耦合至带有内置显卡和声卡的单一便携式计算机的单独的一组四个或五个接收机及一个发射机。另一方面，如果要求接近实时的操作，则置于单一计算机上的I/O和处理需求将非常巨大。因此，每个接收机及其相关联的发射机可以具有它自己的专用PC和声卡，这些PC用分离的系统组成网络，并且具有用于每个SODAR系统(12a和12c)的显示PC，而后者的PC又连接至差分和净显示(net-display)PC。最终，如以上已经讨论的，在所接收信号的处理中，能够以不同的步骤来实现差分功能。

图9和10图示了一个替代配置，其中将SODAR发射机100，以及一行或一列相对远离的SODAR接收机排列组合为合成孔径SODAR系统104，以显现从正在进场的飞行器108流出的涡旋106。将发射机100布置在飞行路线的一侧以照射用虚线110来表示的空气体积，所关心的涡旋很可能出现在该空气体积中。用接收机102检测从涡旋106和从风槽(未示出)反射或散射的所发射的线性调频脉冲的回波112，并对其进行部分的处理。在该系统中，在飞行器着陆之间的相当或正常时间期间进行声探测，并记录该参考声探测数据，以便随后从在飞行器108的着陆或进场期间获得的现行数据中减去。

由于这种系统中的计算负荷，一般而言这样是更实际的，每个接收机102均包括连接至其自身计算机102b(图10)的麦克风102a，每个计算机102b将幅度和脉冲数据采样流通过LAN112输出给生成显示116的合成孔径计算机114。合成孔径计算机114也连接至记录器或存储器118，它存储参考“现场(scene)”或数据以用于后面的使用。如已经指出的，在飞行器着陆之间的相当时期内，记录该参考数据。显示116示出了计算机114的当前输出，无论它是参考现场(只有槽数据)还是“总的”现场(合成的涡旋和槽数据)。将来自处理器114的总输出馈送给处理器120的差分单元，其中抽取参考数据，并接下来在涡旋显示单元122中显示净结果(net result)。本领域技术人员应当理解，显示116和122可以是一个并且是相同的，因为这可以通过合适的信号选择或切换来完成。

应当理解，尽管已经描述了提供独特价值的能够检测和辨别低海拔高度涡旋的SODAR系统的例子，但在不偏离下述权利要求的范围的前提下，可以设计这些实例系统的许多修改、以及许多其他实例。这些实例的SODAR系统的操作能够自动进行，利用一个或多个接收机麦克风来检测飞行器的进场或起飞以启动现行数据获取，以及检测飞行器的离开以启动参考数据获取。

还应当理解，本发明可以用来辨别许多其他低海拔的大气湍流，并且为此目的，可以将系统发射机和一个或多个接收机安装在便携式和可操纵的结构上。这能够允许这样的系统在室内使用，以识别和跟踪例如由空气调节系统所引起的漩涡、盲点和涡旋。

Claims (19)

1.一种检测和/或量化空气体积中短持续时间的地面附近的目标湍流的SODAR方法，该方法包括以下步骤：

当目标湍流不存在时或者在目标湍流不存在的地方，将第一声学线性调频脉冲发射到所述体积中，

检测所述第一线性调频脉冲的回波，以由此生成代表所述空气体积中的盛行周围环境的参考数据集，

当该目标湍流出现时或者在该目标湍流出现的地方，将第二声学线性调频脉冲发射到所述体积中，

检测所述第二线性调频脉冲的回波，以由此生成代表所述盛行周围环境和所述目标湍流的现行数据集，和

对所述参考和所述现行数据集进行差分，以生成净数据集，该净数据集代表具有降低的所述盛行环境的效果的目标湍流。

2.根据权利要求1所述的SODAR方法，其包括以下步骤：

在300ms至3s之间的基本上相同的持续时间内，发射所述第一和第二声学线性调频脉冲中的每一个，

在第一监听时间中，利用匹配滤波器技术，以抽取从所述空气体积返回的第一线性调频脉冲的声学回波所产生的相位和幅度数据，以由此生成所述参考数据集，其中该第一监听时间基本上包括各个线性调频脉冲的持续时间和短于该各个线性调频脉冲持续时间的附加邻接时期，

在第二监听时间中，利用匹配滤波器技术，以抽取从所述空气体积返回的第二线性调频脉冲的声学回波所产生的相位和幅度数据，以由此生成所述现行数据集，其中该第二监听时间基本上与该第一监听时间相同，和

相对于所述第二监听时间，可视地描绘或用表格表示出该净数据集，或者其中所选择的部分，以图示或表示该目标湍流。

3.根据权利要求2所述的SODAR方法，其中声学发射机被用来生成所述第二线性调频脉冲，多个声学接收机被等距地布置在该发射机周围，每个接收机均被布置为接收和检测来自于该发射机发射的每个第二线性调频脉冲的回波，并且所述匹配滤波器技术被用来从每个接收机接收的回波信号中抽取相位和幅度数据，该方法包括以下步骤，对从该多个接收机抽取的相位和幅度数据进行差分，以便表示该空气体积内的目标湍流的水平和/或垂直运动。

4.一种检测和/或量化空气体积中短持续时间的地面附近的目标湍流的SODAR方法，该方法包括以下步骤：

将具有300ms至3s的持续时间的第一声学线性调频脉冲发射到所述体积中，

在第一监听时间中，利用匹配滤波器技术，以抽取从所述空气体积返回的第一线性调频脉冲的声学回波所产生的相位和幅度数据，该第一监听时间包括所述第一线性调频脉冲的传输加上其后比该线性调频脉冲的持续时间短的相邻接的期间，所述被抽取的相位和幅度数据形成现行数据集，该数据集代表该空气体积内的目标湍流和盛行周围环境，和

相对于所述监听时间，描绘或用表格表示出所述现行数据集的变化，以图示或表示该湍流。

5.根据权利要求4所述的SODAR方法，其包括以下步骤：

当该目标湍流不存在时或者在该目标湍流不存在的地方，将基本上与该第一声学线性调频脉冲相同的第二声学线性调频脉冲发射到所述体积中，

在第二监听时间中，利用匹配滤波器技术，以抽取从所述空气体积返回的第二线性调频脉冲的声学回波所产生的相位和幅度数据，以由此生成仅代表该盛行周围环境的参考数据集，其中该第二监听时间的持续时间基本上与该第一监听时间相同，和

对所述参考和所述现行数据集进行差分，以生成净数据集，该净数据集代表具有降低的所述盛行环境的效果的目标湍流。

6.根据权利要求5所述的SODAR方法，其中声学发射机被用来生成所述第一线性调频脉冲，多个声学接收机被等距地布置在该发射机周围，每个接收机均被布置为接收和检测来自于该发射机发射的每个第二线性调频脉冲的回波，并且所述匹配滤波器技术被用来从每个接收机接收的回波信号中取的相位和幅度数据，该方法包括以下步骤，对从该多个接收机抽取的相位和幅度数据进行差分，以便表示该空气体积内的目标湍流的水平和/或垂直运动。

7.根据权利要求2或5所述的SODAR方法，其中四个接收机被正交地布置在该发射机周围，并被彼此相等地隔开，第一对接收机被布置在穿过该发射机的第一轴线上，第二对接收机被布置在穿过该发射机的第二轴线上，该方法包括以下步骤：

对从该第一对接收机中抽取的相位输出进行差分，以得到第一速度数据集，该数据集代表该目标湍流沿着所述第一轴线的运动速度，和

对从该第二对接收机中抽取的相位输出进行差分，以得到第二速度数据集，该数据集代表该目标湍流沿着所述第二轴线的运动速度。

8.根据权利要求7所述的SODAR方法，其包括以下步骤，合并该第一和第二速度数据集，以生成方向数据集，该方向数据集代表该目标湍流相对于该发射机运动的方位角。

9.根据前述权利要求中任意一项所述的SODAR方法，其中该空气体积位于机场跑道、着陆进场路径或起飞路径附近，并且在地面与300m海拔高度之间，其中该目标湍流是由大型飞行器流出的尾流涡旋，并且其中该线性调频脉冲或多个线性调频脉冲基本上垂直地进行发射。

10.一种SODAR方法，用于检测和/或量化在300m海拔高度以下的机场着陆路径或起飞路径中的空气体积中短持续时间的地面附近的目标湍流，该方法包括以下步骤：

用发射机以锐角的仰角向上发射第一声学线性调频脉冲，该发射机位于该路径的一侧，以便声学上照射连同空气体积中的盛行风环境一起的该目标湍流；

用横穿该路径且被间隔开的多个接收机，检测从该空气体积返回的线性调频脉冲的声学回波，

使用参照发射机线性调频脉冲波形的匹配滤波器技术，从各个接收机中抽取第一组相位和/或幅度数据，和

利用该第一组所抽取的数据，生成现行合成孔径数据集，该数据集代表该空气体积内合并的盛行风环境和目标湍流。

11.根据权利要求10所述的SODRA方法，包括以下步骤：

在不存在该目标湍流但存在所述盛行风环境的情况下，以所述锐角的仰角向上发射基本上与该第一声学线性调频脉冲相同的第二声学线性调频脉冲，以便声学上照射该空气体积，

用多个所述接收机中的每一个，检测从该空气体积返回的所述第二线性调频脉冲的声学回波，

使用参照发射机线性调频脉冲波形的匹配滤波器技术，从各个接收机中抽取第二组相位和/或幅度数据，和

利用所述第二组所抽取的数据，生成参考合成孔径数据集，该数据集代表该空气体积内的盛行风环境，和

对所抽取的第一和第二组相位和/或幅度数据进行差分，或者对所述现行和参考合成孔径数据集进行差分，以表示没有盛行风环境或具有衰减的盛行风环境的目标湍流。

12.根据权利要求3或6所述的SODAR方法，包括以下步骤：

分别地对现行和参考数据集的相位和幅度分量进行差分，以生成单独的净相位数据集和单独的幅度净数据集。

13.根据权利要求12所述的SODAR系统，包括以下步骤：

对该净相位数据集进行微分，或确定该净相位数据集的梯度，以加强被密集隔开并具有相反风速的像涡旋一样的目标湍流的出现。

14.一种检测和/或量化空气体积中短持续时间的地面附近的目标湍流的SODAR系统，该系统包括：

声学发射机装置，适于将声学线性调频脉冲引导到所述体积中，以生成来自盛行风环境和来自所述体积内目标湍流的第一组线性调频脉冲回波，并将第二组基本上相同的声学线性调频脉冲引导到所述体积中，以生成来自于不存在该目标湍流的盛行风环境的第二组线性调频脉冲回波，

声学接收机装置，被设置为接收所述第一和第二系列回波，并生成代表所述盛行环境和湍流的现行数据集，以及仅代表盛行环境的参考数据集，

差分装置，适于对所述现行和参考数据集进行差分，以生成净数据集，该净数据集表示没有该盛行风环境的目标湍流，或者至少具有减轻的这种环境的效果的目标湍流。

15.根据权利要求14所述的SODAR系统，其中：

所述发射机装置适于生成具有300ms与3s之间的持续时间的线性调频脉冲，

匹配滤波器被布置为接收来自于所述接收机装置的输出，并从其中抽取相位和/或幅度数据，所述现行和所述参考数据集包括这样的相位和/或幅度信息，和

所述差分装置被布置为接收所述现行和参考数据集，并分别地对其幅度分量和相位分量进行，以生成所述净数据集。

16.根据权利要求14或15所述的SODAR系统，其中：

所述发射机装置包括第一发射机和第二发射机，所述发射机被被间隔开足够远，从而单独的目标湍流不会被由两个发射机发射的线性调频脉冲照射，但是所述发射机又足够近，从而该盛行风环境是共同的，

所述接收机装置包括第一接收机组件，位于该第一发射机附近，用于从由所述第一发射机发射的线性调频脉冲中接收第一系列回波，该现行数据集由该第一接收机组件的输出生成，

所述接收机装置还包括第二接收机组件，位于该第二发射机附近，用于接收由所述第二发射机发射的第二系列回波，该第二数据集是由第二接收机组件的输出生成。

17.根据权利要求16所述的SODAR系统，其中：

所述第一接收机组件包括四个独立的第一接收机，等距且正交地位于该第一发射机周围，以形成两对相对的第一接收机，

所述第一接收机中的每一个均向现行匹配滤波器输出，该现行匹配滤波器适于在由各个第一接收机接收的回波中抽取相位数据，

第一差分装置被连接至所述现行匹配滤波器，并且适于对由其抽取的相位数据进行差分，以生成被差分的相位数据，该相位数据代表由该第一发射机的线性调频脉冲照射的空气体积内空气运动的方向和水平速度，

所述第二接收机组件包括四个独立的第二接收机，等距且正交地位于该第二发射机周围，以形成两对相对的第二接收机，

所述第二接收机中的每一个均向参考匹配滤波器输出，该参考匹配滤波器适于在由各个第二接收机接收的回波中抽取相位数据，

第二差分装置被连接至所述参考匹配滤波器，并且适于对由其抽取的相位数据进行差分，以生成被差分的相位数据，该相位数据代表由该第二发射机的线性调频脉冲照射的空气体积内空气运动的方向和水平速度。

18.根据权利要求14或15所述的SODAR系统，其中：

所述发射机装置包括单独的发射机，

所述接收机装置包括四个声学接收机，被正交地布置于该发射机周围并且到该发射机的距离相等，所述接收机被布置为相对的两对，

所述接收机中的每一个均向匹配滤波器输出，该匹配滤波器适于在该接收机接收的回波中抽取相位数据，

差分装置，被连接至所述匹配滤波器，并且适于对从其中抽取的相位数据进行差分，以生成被差分的相位数据，该相位数据代表由该发射机的线性调频脉冲照射的空气体积内空气运动的方向和水平速度。

19.一种在检测和/或量化空气体积中短持续时间的地面附近的目标湍流中使用的SODAR系统，该系统包括：

声学发射机装置，适于以锐角的仰角将声学线性调频脉冲引导到所述体积中，以生成来自于盛行风环境和来自于所述体积内的目标湍流的第一组线性调频脉冲回波，并且适于生成进入到所述体积中的第二组基本上相同的声学线性调频脉冲，以生成来自于不存在该目标湍流的盛行风环境的第二组线性调频脉冲回波，

多个声学接收机，被布置在从所述发射机装置延伸出来的行上，所述接收机被置为接收所述第一和第二系列回波，并生成代表所述盛行环境和湍流的现行数据集，以及仅代表该盛行环境的参考数据集，

用于接受所述现行数据集的装置，适于将现行数据集转换为合并的盛行环境和湍流的现行合成孔径图像，

用于接受所述参考数据集的装置，适于将参考数据集转换为不存在该目标湍流的盛行环境的参考合成孔径图像，和

差分装置，适于对所述现行和参考合成孔径图像进行差分，以生成净数据集和净合成孔径图像，该净合成孔径图像表示没有该盛行风环境的目标湍流，或者至少具有减轻的这种盛行环境的效果的目标湍流。

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