DE19805328C2 - Verfahren zur räumlich auflösenden Messung von Strömungsgeschwindigkeiten eines kontinuierlichen Mediums - Google Patents
Verfahren zur räumlich auflösenden Messung von Strömungsgeschwindigkeiten eines kontinuierlichen MediumsInfo
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Abstract
Bei der distanzauflösenden Messung der Strömung eines Mediums über die Dopplerverschiebung von an diesem rückgestreuten Schall wird durch Mehrfrequenz- und Mehrrichtungsverfahren das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert. Bisher beschriebene Verfahren haben den Nachteil, daß Rückstreusignale mit ähnlichen Frequenzen aus unterschiedlichen Richtungen und Rückstreusignale mit unterschiedlichen Frequenzen aus ähnlichen Richtungen jeweils sehr verschiedene Intensitäten haben, jedoch gleichzeitig empfangen und separiert werden müssen. DOLLAR A Um dieses Problem zu vermeiden und dadurch die Systemleistung zu verbessern, wird der Schall als Folge von Pulssequenzen ausgesandt, deren Merkmal es ist, daß innerhalb jeder Sequenz die Abstrahlrichtung von Puls zu Puls wechselt. Bei Phasenarrayantennen erfolgt der Richtungswechsel vorzugsweise in einer Ebene, die die Vorwärtsrichtung einschließt. Weiterhin wird die Länge von aufeinanderfolgenden Pulsen schrittweise reduziert, wodurch eine große Reichweite mit einer hohen Distanzauflösung in Antennennähe kombiniert wird. DOLLAR A Das Verfahren ermöglicht insbesondere atmosphärische oder hydrologische Strömungsfernmessungen mit besserer Reichweite und Auflösung.
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 2709556 A1) wur
den aus Pulsen verschiedener Frequenz zusammengesetzte Folgen
unmittelbar nacheinander in verschiedene Richtungen ausge
sandt und die Rückstreusignale dann aus allen Richtungen
gleichzeitig 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 gleichzeitig
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 entsprechenden
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 anhand der Fig.
1 und 2 die Betriebsweise eines Sodars mit 5 Abstrahlrichtun
gen beschrieben. Die Richtungen haben die Bezeichnungen R1
bis R5, wobei R1 nach Osten, R2 nach Norden, R3 nach Westen
und R4 nach Süden geneigte Winkel und R5 die Vertikale bedeu
ten (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 (9)
1. Verfahren zur räumlich auflösenden Messung von Strömungs
geschwindigkeiten eines kontinuierlichen Mediums mittels ei
ner akustischen Sende- und Empfangsantenne mit Ansteuer- und
Auswerteeinheit, wobei die Antenne Abfolgen von Pulsen aus
sendet, die Abfolgen sich im wesentlichen aus zwei oder mehr
Sequenzen jeweils bestehend aus mindestens zwei aufeinander
folgenden Pulsen mit innerhalb jeder Sequenz von Puls zu Puls
wechselnder Abstrahlrichtung zusammensetzen, soweit innerhalb
einer Abfolge Pulse gleiche oder ähnliche Abstrahlrichtungen
haben, die Frequenzen mindestens solcher Pulse verschieden
sind, nach Ende der Aussendung der Abfolge die am Medium
rückgestreuten und aus den verschiedenen Richtungen einlau
fenden akustischen Wellen von der Antenne gleichzeitig emp
fangen und aus den Laufzeiten der Pulse zwischen Aussendung
und Empfang die Distanzen zu den Rückstreuorten und aus den
Dopplerverschiebungen der empfangenen Frequenzen die Strö
mungsgeschwindigkeiten bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem alle oder einzelne Pul
se einer Sequenz nicht nacheinander, sondern gleichzeitig
ausgesandt werden.
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei
dem mindestens einer der ausgesandten Pulse gleichzeitig zwei
oder mehr Frequenzen enthält.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche für
akustische Sende- und Empfangsantennen, deren Abstrahl- oder
Empfangsrichtungscharakteristik durch phasenversetzte An
steuerung bzw. phasenbezogene Signalauswertung einer Matrix
von Schallwandlern erreicht wird, wobei verschiedene Arten
von Pulsabfolgen im Wechsel ausgesandt und jeweils durch eine
nachfolgende Empfangsphase abgeschlossen werden, insbesondere
innerhalb einer Abfolge die Richtungen aller ausgesandten
Pulse mit der senkrecht zur Antenne liegenden Richtung, d. h.
der sich bei Ansteuerung bzw. Signalauswertung ohne Phasenversatz
ergebenden Vorwärtsrichtung, in einer Ebene liegen,
und die empfangenen Signale der den verschiedenen Abfolgen
zugeordneten, nachfolgenden Empfangsphasen, gegebenenfalls
nach Mittelung über mehrere gleichartigen Abfolgen zugeord
nete Empfangsphasen, im Zusammenhang, insbesondere zur Ablei
tung des Strömungsvektors, ausgewertet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem zur Messung der Strö
mungsgeschwindigkeit 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, ge
mittelt und dann weiter ausgewertet werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 oder 5, bei dem die Ampli
tude der von jedem Schallwandler ausgehenden akustischen Wel
le in Abhängigkeit von der Frequenz und dem Abstrahlwinkel
der Pulse so variiert wird, daß durch Interferenz eine ge
wünschte Abstrahlcharakteristik, insbesondere in Bezug auf
eine Verminderung der nicht in der Hauptabstrahlrichtung lie
genden Nebenkeulen, erreicht wird.
7. Verfahren zur räumlich auflösenden Messung von Strömungs
geschwindigkeiten eines kontinuierlichen Mediums mittels ei
ner akustischen Sende- und Empfangsantenne mit Ansteuer- und
Auswerteeinheit, wobei während einer Sendephase, die in einem
äquidistanten Zeitraster strukturiert ist, aufeinanderfolgen
de 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 während einer Empfangs
phase, die ebenfalls in einem äquidistanten Zeitraster struk
turiert ist, die Rückstreusignale gleichzeitig empfangen,
über das Zeitraster untereinander, hinsichtlich der Laufzei
ten, in Beziehung gesetzt, im Zusammenhang ausgewertet, Distanzschichten
zugeordnet und aus den Dopplerverschiebungen
der empfangenen Frequenzen die Strömungsgeschwindigkeiten be
stimmt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine Mittelung der
räumlichen Zuordnung der Meßergebnisse über zwei oder mehr
benachbarte Distanzschichten erfolgt, insbesondere damit eine
distanzabhängige räumliche Auflösung entsteht.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei
dem, insbesondere zur Anwendung in Medien, die durch eine
zunehmende Absorption akustischer Wellen mit zunehmender Fre
quenz charakterisiert sind, zunächst Pulse mit niedrigen und
dann Pulse mit höheren Frequenzen ausgesandt werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1998105328 DE19805328C2 (de) | 1998-02-11 | 1998-02-11 | Verfahren zur räumlich auflösenden Messung von Strömungsgeschwindigkeiten eines kontinuierlichen Mediums |
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