DE19805328A1 - System zur räumlich auflösenden Messung von Strömungsgeschwindigkeiten eines kontinuierlichen Mediums - Google Patents

Description

Das Verfahren zur räumlich auflösenden Fernmessung von Strö­ mungsgeschwindigkeiten von kontinuierlichen Medien über die Aussendung von akustischen Pulsen und das Messen der Doppler­ verschiebung der Frequenz der am Medium zurückreflektierten Wellen, wobei die Entfernung zum Meßort aus der Laufzeit zwi­ schen Aussendung und Empfang bestimmt wird, ist hinlänglich bekannt und wird im atmosphärischen Anwendungsbereich mit So­ dar (sonic detection and ranging) und im nautischen Anwen­ dungsbereich mit Sonar (sonic navigation and ranging) be­ zeichnet.

Ein Sodar bzw. Sonar besteht aus einer akustischen Antenne für Sendung und Empfang (monostatisches System), einer An­ steuereinheit für die Antenne und einer Auswerteeinheit für die zurückgestreuten Signale mit einer etwaigen nachfolgenden Datenaufzeichnung. In vielen Fällen ist die Antenne in Form eines Phasenarrays ausgelegt, d. h. sie besteht aus einer Ma­ trix von Schallwandlern, deren phasenversetzte Ansteuerung sendeseits und phasenbezogene Signalauswertung empfangsseits die Richtungscharakteristik der Antenne bestimmt.

Die Leistungsfähigkeit eines Sodars bzw. Sonars wird unter anderem beschrieben durch die maximale Reichweite bei gegebe­ ner räumlicher Auflösung und hängt vom erreichbaren Signal­ zu-Rausch-Verhältnis ab. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis wird im allgemeinen verbessert durch eine Erhöhung der abgestrahl­ ten akustischen Energie je Sendephase. Dabei darf die akusti­ scher Pulslänge nicht verändert werden, da diese die räumli­ che Auflösung bestimmt. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis hängt auch vom Hintergrundsignal ab. Für das Hintergrundsignal bil­ den neben dem Systemrauschen und Umweltgeräuschen sogenannte Nebenkeulen, d. h. eine akustische Abstrahlung und Wahrnehmung außerhalb der Hauptabstrahl- bzw. Hauptempfangsrichtung, eine wichtige Ursache.

Zu Beginn der Entwicklung wurden Sodar- bzw. Sonarsysteme in der Weise betrieben, daß ein akustischer Puls einer bestimm­ ten Dauer und Frequenz in eine bestimmte Richtung ausgesandt und anschließend die Frequenz der rückgestreuten Welle über einen (von der Reichweite abhängigen) Zeitraum aufgenommen und ausgewertet wurde. Dieser Vorgang erfolgte üblicherweise in drei Richtungen nacheinander, um den dreidimensionalen Strömungsvektor zu ermitteln.

Eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses wurde dadurch erzielt, daß in jede Richtung nicht nur ein Puls son­ dern eine Folge von Pulsen unterschiedlicher Frequenz ausge­ sandt wurde. Für jede Empfangsrichtung wurden die rückge­ streuten Signale aller Frequenzen dann gleichzeitig aufgenom­ men. Auf diese Weise konnte während der Sendephase mehr aku­ stische Energie in das zu messende Medium eingebracht werden bei gleichbleibender Pulslänge, d. h. ohne die räumliche Auf­ lösung zu vermindern.

Bei einer Fortentwicklung dieser Methode (FR 9310348) wurden aus Pulsen verschiedener Frequenz zusammengesetzte Folgen un­ mittelbar nacheinander in verschiedene Richtungen ausgesandt und die Rückstreusignale dann aus allen Richtungen gleichzei­ tig in einer gemeinsamen Empfangsphase aufgenommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Systemleistung weiter zu optimieren und die technische Umsetzung zu verein­ fachen.

Zu diesem Zweck muß zunächst ein Nachteil des zuletzt be­ schriebenen Verfahrens erkannt werden. Dieser liegt darin, daß wegen der regelmäßigen Ausnutzung der zur Verfügung ste­ henden spektralen Bandbreite, d. h. in der Praxis gewöhnlich der Zahl der zur Verfügung stehenden Frequenzen, gleiche (oder ähnliche) Frequenzen in unterschiedliche Richtungen mit großem zeitlichen Abstand ausgesandt werden und so gleichzei­ tig aus verschiedenen Richtungen aufgenommene Rückstreusigna­ le einer Frequenz von nahen und entfernten Rückstreuvorgängen herrühren. Da die Intensität des Rückstreusignals im allge­ meinen stark mit der Entfernung des Rückstreuortes sinkt und die Richtungscharakteristik einer realen akustischen Antenne keine völlige Richtungsseparation erlaubt, kann bei einer solchen Betriebsweise ein starkes, nahes Rückstreusignal auf ein schwaches, entferntes Rückstreusignal übersprechen, was zu Meßfehlern führt. Dieser Nachteil kann auch durch ein zur Messung des dreidimensionalen Strömungsvektors nahe an der Antenne notwendiges Vertauschen der Reihenfolge der Abstrahl­ richtungen oder eine Variation der Reihenfolge der Frequenzen nur zum Teil gemildert werden.

Das Problem wird dadurch gelöst, daß nicht Folgen, die aus Pulsen unterschiedlicher Frequenz zusammengesetzt sind, nach­ einander in mehrere Richtungen ausgesandt werden, sondern daß nacheinander eine Reihe von Sequenzen ausgesandt wird, die jeweils aus zwei oder mehr Pulsen mit unterschiedlicher Ab­ strahlrichtung und üblicherweise der gleichen Frequenz beste­ hen, wobei Pulse aus verschiedenen Sequenzen generell eine hinreichend unterschiedliche Frequenz haben sollten. Unter diesen Voraussetzungen werden gleiche Frequenzen aus ver­ schiedenen Richtungen bei ähnlichen Laufzeiten zeitnah emp­ fangen, und das übersprechen bleibt minimal.

Stellt die spektrale Bandbreite des Systems mehr Frequenzen zur Verfügung, als innerhalb einer Pulsabfolge, d. h. einer Reihe von Sequenzen, sinnvoll genutzt werden können, so kann es vorteilhaft sein, Pulse verschiedener Frequenz oder Rich­ tung, auch in Kombination, gleichzeitig zu emittieren. Dies ist insbesondere bei Antennensystemen der Fall, deren maximal emittierbare, über alle Frequenzen und Richtungen summierte akustische Leistung sich dadurch erhöht.

Wird eine akustische Antenne in Form eines Phasenarrays ver­ wendet, so ist es, bedingt durch die Spalten- und Zeilen­ struktur der Anordnung der Schallwandler und der entsprechen­ den Auslegung der Ansteuer- und Auswerteelektronik, im allge­ meinen eine technische Vereinfachung, wenn Sendung und Emp­ fang nur aus solchen Richtungen gleichzeitig realisiert wer­ den müssen, die mit der Hauptabstrahlrichtung (Vorwärtsrich­ tung) in einer Ebene liegen. Dies kann in der Weise berück­ sichtigt werden, daß verschiedene Arten von Pulsabfolgen nacheinander ausgesandt werden, innerhalb derer die Abstrahl­ richtungen jeweils der genannten Bedingung genügen und die jeweils durch eine Empfangsphase abgeschlossen sind. Die Be­ stimmung des dreidimensionalen Windvektors erfolgt dann nach Auswertung der Empfangssignale aller (gewöhnlich mindestens drei) Pulsabfolgearten.

Bei einem Phasenarray kann die Ausprägung von Nebenkeulen vermindert werden, indem die einzelnen Amplituden der von den Schallwandlern ausgehenden akustischen Wellen in Abhängigkeit der Frequenz und der Abstrahlrichtung, insbesondere durch Verwendung eines jedem Schallwandler zugeordneten, sich dy­ namisch je nach Frequenz und Abstrahlrichtung regelbaren Ab­ schwächers oder Verstärkers, so angepaßt werden, daß durch Interferenz die Hauptabstrahlrichtung gegenüber den Nebenkeu­ len begünstigt wird. Empfangsseitig läßt sich durch Regelung der von den einzelnen Schallwandlern aufgenommenen Signale ebenfalls eine entsprechende Richtungscharakteristik errei­ chen.

Da sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis mit größerer Entfer­ nung des Rückstreuortes verschlechtert, kann es geboten sein, die räumliche Auflösung mit zunehmender Distanz zu verrin­ gern. Da die ersten ausgesandten Pulse innerhalb einer Abfol­ ge nur zu Messungen in größeren Distanzen verwendet werden können und bei dort angestrebter niedriger räumlicher Auflö­ sung die zur Verfügung stehende Bandbreite des Systems nicht unnötig ausgeschöpft werden sollte, ist es oft sinnvoll, die Länge der ersten ausgesandten Pulse groß zu wählen und die der nachfolgenden Pulse Schritt für Schritt zu verkleinern. Die Realisierung auf der Basis eines konstanten Zeitrasters erleichtert die Auswertung und ergibt eine Schichtenstruktur für die Zuordnung der Meßergebnisse. Eine mittelnde Zusammen­ fassung von benachbarten Schichten, idealerweise entsprechend der Länge der die jeweiligen Schichten durchlaufen habenden Pulse, entspricht dann konsequent der Verringerung der Auflö­ sung mit der Distanz.

Da in der Atmosphäre die Reichweite akustischer Wellen (im üblicherweise verwendeten hörbaren Bereich) mit höherer Fre­ quenz abnimmt, ist es hier günstig, zunächst Pulse niedriger Frequenz auszusenden und von Pulsen höherer Frequenz folgen zu lassen. Dies ist auch deswegen vorteilhaft, weil die höhe­ ren Frequenzen im allgemeinen bessere räumliche Auflösungen zulassen und diese vor allem bei geringen Entfernungen ange­ strebt werden.

Als Ausführungsbeispiel wird im folgenden die Betriebsweise eines Sodars mit 5 Abstrahlrichtungen beschrieben. Die Rich­ tungen haben die Bezeichnungen R1 bis R5, wobei R1 nach Osten, R2 nach Norden, R3 nach Westen und R4 nach Süden ge­ neigte Winkel und R5 die Vertikale bedeuten (Fig. 1). Die Absolutneigungen der Richtungen R1, R2, R3, R4 gegenüber der Vertikalen R5 sind gleich.

Das Sodar kann 6 Frequenzen F1 bis F6 aussenden, wobei F1 die niedrigste und F6 die höchste Frequenz ist. Das Aussenden der Pulse und der Empfang der Rückstreusignale sind organisiert über ein Zeitraster mit adäquaten Rasterperioden T1, T2, T3 usw., wie unten unter Bezugnahme auf Tabelle 1 erläutert. Die Zuordnung erfolgt auf 28 Schichten E1 bis E28, die schließ­ lich auf 11 Schichten M1 bis M11 mittelnd zusammengefaßt wer­ den, um eine höhenabhängige Auflösung zu erhalten.

Es werden 3 Arten von Pulsabfolgen nacheinander ausgesandt und jeweils mit einer Empfangsphase abgeschlossen. Jede Puls­ abfolge besteht aus 3 Sequenzen mit jeweils 2 Pulsen.

Über den Zeitraum der Perioden T1 bis T8 erstreckt sich die erste Sequenz der ersten Abfolge (siehe Tabelle 1, Zeile S) Zuerst wird in Richtung R1 ein Puls mit der Frequenz F1 (R1F1) und einer Länge von 4 Perioden und dann in Richtung R3 ein Puls der gleichen Frequenz und Länge (R3F1) ausgesandt.

Es folgt über den Zeitraum T9 bis T12 eine Sequenz bestehend aus 2 Pulsen der Frequenz F3 und jeweils einer Länge von 2 Perioden, und zwar wieder einem Puls in Richtung R1 (R1F3) und einem Puls in Richtung R3 (R3F3). Während T13 und T14 folgt schließlich eine Sequenz aus 2 kurzen Pulsen der Fre­ quenz F5 in die Richtungen R1 (R1F5) und R3 (R3F5).

Nun beginnt die der ersten Pulsabfolge zugeordnete Empfangs­ phase. Tabelle 1 macht deutlich, wie die Zuordnung der aus­ gewerteten Rückstreusignale zunächst auf die Schichten E1-E28 und dann auf die gemittelten Schichten M1-M11 organisiert ist. Die erste Empfangsphase endet mit Periode T42.

Mit Periode T43 beginnend wird eine Pulsabfolge ausgesandt, bei der gegenüber der vorangegangenen die Richtungen R1 und R3 in R2 und R4 geändert sind. Die entsprechende Empfangspha­ se endet mit Periode T84.

In der letzten Pulsabfolge, beginnend mit Periode T85, wird nur in Richtung R5 emittiert. Wegen der erwarteten niedrige­ ren Windgeschwindigkeiten der vertikalen Komponente und der entsprechenden geringeren Dopplerverschiebungen, werden statt 3 nun 6 Frequenzen verwendet. Die Länge der Perioden ist nun kürzer als zuvor, da nach horizontalen Schichten aufgelöst wird und der geometrische Effekt des fehlenden Neigungswin­ kels bei der Laufzeit kompensiert werden muß. Die Empfangs­ phase für die Vertikale endet mit Periode T126.

Die 3 verschiedenen Pulsabfolgen bilden einen Zyklus, der wiederholt ausgesandt wird. Die Meßwerte der jeweils gleichen Pulsabfolgeart, vorzugsweise die Spektren, werden über mehre­ re Zyklen gemittelt bis ein hinreichendes-Signal-zu-Rausch- Verhältnis erreicht ist. Die dreidimensionalen Windvektoren ergeben sich aus der Auswertung der Spektren aller 3 Pulsab­ folgearten.

Fig. 2 erläutert das Zusammenfügen der dopplerverschobenen Spektren. Das Beispiel bezieht sich auf die Signale der Emp­ fangsperioden T15 bis T20, die der Schicht E6 zugeordnet wer­ den (siehe Tabelle 1).

Während der Empfangsperioden T15 bis T20 werden Rückstreusi­ gnale der Frequenzen F1, F3 und F5 aus den Richtungen R1 und R3 gemessen. Typische Spektren für die Richtungen R1 und R3 zeigt Fig. 2(a). Da die Frequenz F1 nach Ende der Aussendung der Pulsabfolge die Schicht E6 bereits vollständig durchquert hat, wird der entsprechende Frequenzbereich hier nicht weiter verwertet. Die Maxima (1) und (3) resultieren aus der Rich­ tung R1, die Maxima (2) und (4) aus der Richtung R3. Die Ma­ xima (1) und (2) ergeben sich aus der Dopplerverschiebung der Frequenz F3, die Maxima (3) und (4) ergeben sich aus der Dopplerverschiebung der Frequenz F5. Wegen der entgegenge­ setzten horizontalen Komponente der Abstrahlrichtungen R1 und R3 haben die Dopplerverschiebungen jeweils entgegengesetzte Vorzeichen.

Aus dem gemessenen Spektrum der Richtung R1 von Periode T15 und wird nun der Bereich um die dopplerverschobene Frequenz F3 mit F3 normiert und der Vorzeichenkonvention entsprechend um 1 gespiegelt (von 1 subtrahiert). Das Maximum (1) wird so zum Maximum (5) im normierten Koordinatensystem in Fig. 2(b). Mit der Periode T16 wird ebenso verfahren.

Für die Perioden T17 und T18 werden die gemessenen Spektren der Richtung R3 im Bereich um die dopplerverschobene Frequenz F3 mit F3 normiert. Die Maxima (2) werden so im normierten Koordinatensystem zu den Maxima (6). Für die Perioden T19 und T20 wird die Frequenz F5 entsprechend behandelt, es ergeben sich die Maxima (7) und (8).

Über alle normierten Spektren wird schließlich gemittelt, ein statistisch repräsentativer Durchschnittswert (9) wird be­ stimmt, und daraus wird die Windgeschwindigkeit der betrach­ teten räumlichen Komponente bestimmt.

Claims (10)

1. System zur räumlich auflösenden Messung von Strömungsge­ schwindigkeiten eines kontinuierlichen Mediums und bestehend aus einer akustischen Sende- und Empfangsantenne mit Ansteu­ er- und Auswerteeinheit, welches im Betrieb in mehrere Rich­ tungen akustische Pulse aussendet, die am Medium rückgestreu­ ten und aus den verschiedenen Richtungen einlaufenden akusti­ schen Wellen gleichzeitig empfängt, aus den Laufzeiten der Pulse zwischen Aussendung und Empfang die Distanzen zu den Rückstreuorten und aus den Dopplerverschiebungen der empfan­ genen Frequenzen die Strömungsgeschwindigkeiten bestimmt, da­ durch gekennzeichnet, daß Abfolgen von Pulsen im wesentlichen bestehend aus zwei oder mehr Sequenzen jeweils bestehend aus mindestens zwei aufeinanderfolgenden Pulsen mit innerhalb jeder Sequenz von Puls zu Puls wechselnder Abstrahlrichtung ausgesandt werden, soweit innerhalb einer Abfolge Pulse glei­ che oder ähnliche Abstrahlrichtungen haben, die Frequenzen mindestens solcher Pulse verschieden sind und die Rückstreu­ signale nach Ende der Aussendung der Abfolge gleichzeitig empfangen werden.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle oder einzelne Pulse einer Sequenz nicht nacheinander sondern gleichzeitig ausgesandt werden.

3. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der ausgesandten Pulse gleichzeitig zwei oder mehr Frequenzen enthält.

4. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne in Form eines Phasenarrays ausgeführt ist, insbesondere eine Matrix von Schallwandlern enthält, deren phasenversetzte Ansteuerung sendeseits und phasenbezogene Signalauswertung empfangsseits die Richtungs­ charakteristik der Antenne bestimmt.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ver­ schiedene Arten von Pulsabfolgen im Wechsel ausgesandt und jeweils durch eine nachfolgende Empfangsphase abgeschlossen werden, insbesondere in der Weise, daß innerhalb einer Abfol­ ge die Richtungen aller ausgesandten Pulse mit der senkrecht zur Antenne liegenden Richtung, d. h. der sich bei Ansteuerung ohne Phasenversatz ergebenden Vorwärtsrichtung, in einer Ebe­ ne liegen, und die empfangenen Signale der den verschiedenen Abfolgen zugeordneten, nachfolgenden Empfangsphasen, gegebe­ nenfalls nach Mittelung über mehrere gleichartigen Abfolgen zugeordnete Empfangsphasen, im Zusammenhang, insbesondere zur Ableitung des Strömungsvektors, ausgewertet werden.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit Frequenzspektren der Rückstreusignale für jede der Empfangsrichtungen berechnet, in Bereiche um die ausgesandten Frequenzen unterteilt, diese Bereiche in Bezug auf den Einfluß von Richtung und Frequenz normiert, unter Berücksichtigung der Laufzeit einer Distanz zugeordnet, gemittelt und dann weiter ausgewertet werden.

7. System nach den Ansprüchen 4, 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Amplitude der von jedem Schallwandler aus­ gehenden akustischen Welle in Abhängigkeit von der Frequenz und dem Abstrahlwinkel der Pulse durch das System so variiert wird, daß durch Interferenz bzw. Überlagerung eine gewünschte Abstrahlcharakteristik, insbesondere in Bezug auf eine Ver­ minderung der nicht in der Hauptabstrahlrichtung liegenden Nebenkeulen, erreicht wird.

8. System zur räumlich auflösenden Messung von Strömungsge­ schwindigkeiten eines kontinuierlichen Mediums und bestehend aus einer akustischen Sende- und Empfangsantenne mit Ansteu­ er- und Auswerteeinheit, welches im Betrieb eine Abfolge aku­ stischer Pulse aussendet, die am Medium rückgestreuten aku­ stischen Wellen empfängt, aus den Laufzeiten der Pulse zwi­ schen Aussendung und Empfang die Distanzen zu den Rückstreu­ orten und aus den Dopplerverschiebungen der empfangenen Fre­ quenzen die Strömungsgeschwindigkeiten bestimmt dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sende- und die Empfangsphase zum Zwecke der Auswertung in einem äquidistanten Zeitraster strukturiert sind, nacheinander Pulse verschiedener Frequenz oder Richtung oder Frequenz und Richtung, auch in Kombination gleichzeitig überlagert, mit Längen, die im wesentlichen ein ganzzahliges Vielfaches des Zeitrastermaßes sind, ausgesandt werden, die Längen der Pulse innerhalb einer Abfolge ein- oder mehrmals abnehmen, nach Ende der Aussendung der Abfolge die Rückstreu­ signale gleichzeitig empfangen, über das Zeitraster unterein­ ander in Beziehung gesetzt, im Zusammenhang ausgewertet und Distanzschichten zugeordnet werden.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mittelung der räumlichen Zuordnung der Meßergebnisse über zwei oder mehr benachbarte Distanzschichten erfolgt, insbe­ sondere daß dadurch eine distanzabhängige räumliche Auflösung entsteht.

10. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere bei Anwendung in Medien, die durch eine zunehmende Absorption akustischer Wellen mit zu­ nehmender Frequenz charakterisiert sind, zunächst Pulse mit niedrigen und dann Pulse mit höheren Frequenzen ausgesandt werden.