JP2005500553A - 低大気圧における空気の特徴の計測 - Google Patents
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Abstract
大気を音響的に観測する音波気象探知システムおよび方法が開示される。この場合、所定のレンジの大気の特性を示す位相信号を導出するために、３００ｍｓよりも長い（好適には、数十秒の持続時間）チャープが照合フィルタ、および／またはフーリエ処理法と共に用いられる。発信中に聴く戦略が所望され、直接信号は、同じノイズ環境にあるようにするために、発信器の近傍に配置された２つ以上の受信器から位相信号を取り去ることによって除去される。結果としての差動信号は、レンジ距離に関するクロスレンジウィンドと関連し得る。
Description
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、大気測深（ｓｏｕｎｄｉｎｇ）に対する音響信号の利用に関し、より詳細には、低大気圧における、水平風速変動、ウインドシヤー、および／または乱流のような空気速度変動を計測するｓｏｄａｒ（音波気象探知機）技術に関する。しかし、本発明は、温度勾配、温度、熱転換（ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）、および湿度の変動によって生じ得るような、大気圧の局所密度変動の計測に適用され得る。
【０００２】
本発明の装置および方法はまた、空路の安全性を増強し、および／または空港においてより高密度の航空交通を可能にするために、空港近くの風の鉛直分布を描くことにも適用可能である。
【０００３】
本発明の大気測深技術は、ＳＯＤＡＲ、またはＳＯｕｎｄ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇと呼ばれる最近の技術のクラスに分類される。ｓｏｄａｒは、ＲＡＤＡＲ（ＲＡｄｉｏ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）、ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｈｇｔ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）、ＡＥＲＩ（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｅｍｉｔｔａｎｃｅ Ｒａｄｉａｎｃｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）、およびハイブリッドＲＡＳＳ（大気中のＲａｄｉｏ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｏｕｎｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）のような、電磁波を用いる測深技術とは区別されるべきである。しかし、それぞれの現在の形式におけるこれら全ての技術に共通することは、Ｄｏｐｐｌｅｒ信号と関連し、かつこのような信号を処理する際にＦｏｕｒｉｅｒ変換法の利用することである。液体媒体において利用されるため、ＳＯＮＡＲ（ＳＯｕｎｄ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）については言及されていないが、ｓｏｎａｒおよびｓｏｄａｒの音響技術の間には専らいくつかの重複が見られ得る。いくらかのカメラ測距、非破壊試験、および医療イメージングシステムにおけるような、ｓｏｎａｒの側距およびイメージング法は、空中において適用されたことがあるからである。
【背景技術】
【０００４】
（発明の背景）
風の鉛直分布を描くなどのための音響的方法には専ら長い歴史があるが、１９９９年にＣｏｕｌｔｅｒとＫａｌｌｉｓｔｒａｔｏｖａは、総論「Ｔｈｅ Ｒｏｌｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｏｕｎｄｉｎｇ ｉｎ ａ Ｈｉｇｈ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｒａ」（Ｍｅｔｅｏｒｏｌ，Ａｔｏｍｓ．Ｐｈｙｓ．７１，３−１９）において、これらの方法が、これらの見込みまで達していないことを指摘した。これは、主に適切な信号対ノイズ比（ｓ／ｎ）を達成することが不可能なためであったと思われる。大気測深のためのｓｏｄａｒは、ほぼ一般的に、短い（ミリ秒）単一トーンの高電力パルス、複数の受信機、および単一のタイミング回路を利用して、大気中の様々な不連続点の高さを推測するために必要とされる異なる受信機においてエコーのシーケンスを決定する。Ｓｉｖｉａｎに対する１９５０年の米国特許第２，５０７，１２１号は、大気の不連続点の高さを計測する方法を開示した。この方法は、このようなパルスを垂直に大気中へ発信し、かつ発信されたパルスの休止の後に、発信器の近くに位置する２つの同様の受信機を用いて、垂直に戻ってきたエコーを検知することを含む。最も興味深い実施形態では、第１の受信機は、受信するエコーに対して遮蔽されるが、第２の受信機は、遮蔽されず、２つの受信機は、それぞれの出力が妨害され、かつ正味の信号がオシロスコープ上に表示され得るように接続される。通常、エコーが戻ってきた場合、第２の受信機のみが信号を検知するので、ピップ（ｐｉｐ）が表示される。しかし、銃声のような局所的なノイズが起こった場合は、両方の受信機が、同一の信号を検知し、ピップは表示されない。
【０００５】
Ｂａｌｓｅｒに対する１９７３年の米国特許第３，８８９，５３３号は、「音響風センサー」について開示した。音響風センサーでは、音響発信器は、ＣＷ（連続波）またはパルス信号のどちらかによって空気の円柱を照らし、かつリモート受信機は、側面柱の２つ以上の側面の狭いまたは広い部分をポイントされ、そこから側面に沿って散乱した音響エネルギーを検知する。この散乱したエネルギーのＤｏｐｐｌｅｒ成分は、その後抽出されて、様々な高さにおける風速を決定する。いわゆる地上から１０００ｍの、照らされた円柱の一部分を観測するためには、受信機は、おおよそ同じ距離で発信器から間隔を空けてられる必要がある。また、発信器からのダイレクト信号（しばしば「ゼロＤｏｐｐｌｅｒ」信号と呼ばれる）を十分に減弱するために、重要な間隔が必要とされる。滑走路の近くの持続性の渦の検知に対するこのシステムの適用は、ＰｒｏｕｄｌａｎおよびＢａｌｓｅｒに対する米国特許第３，６７１，９２７号に開示される。
【０００６】
ＭｃＡｌｌｉｓｔｅｒに対する１９７２年の米国特許第３，６７５，１９１号は、スピーカーおよびマイクロフォンとして利用することができる音響トランデューサーの４つの隣接するアレイの利用について開示している。このアレイは、コンパスの方位点と一直線に並べられ、それぞれの上面を除き、別のアレイから遮蔽される。短い音響パルスは、垂直上向きに発信され、４つのアレイのそれぞれにおける戻ってきたエコーの相対的なタイミングによって、風の層の高さおよび方位が与えられる。（尚、音響測深の物理学は、ＭｃＡｌｌｉｓｔｅｒらによるＰｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｖｏｌ．５７，５７９−５８７の「Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｏｕｎｄｉｎｇ−Ａ Ｎｅｗ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」において十分に記述される。）Ｂａｌｓｅｒに対する米国特許第４，５５８，５９４号は、異なる方向へ連続的にパルスを導くことができる音響位相アレイの利用について記載している。この１つのパルスからのエコーは、次のパルスが発信される前にアレイによって検知される。Ｆａｇｅらに対する米国特許第５，５２１，８８３号は、同様の位相アレイを利用して、異なる方向に異なる周波数のパルスを発信し、その後、同時に全てのエコーを聴き、それにより、サイクル時間を減少する。後者のシステムにおけるパルス発信の通常の仰角は、２０から３０度の間である。比較的に低い仰角は、（垂直方向ではなく）水平方向の当該の方向の風速のために、戻ってきたエコーのＤｏｐｐｌｅｒ成分を増大させることになる。
【０００７】
近年、レーダーＤＳＰ（デジタル信号処理）技術は、ｓｏｄａｒに適用され、ｓ／ｎの改善を達成した。特に、パルス圧縮技術が利用され、位相または周波数コード化パルスからのエコーは、Ｆｏｕｒｉｅｒ変換を用いた整合フィルタによって処理されて、十分に高いピーク電力を有するより短いパルスと通常関連するレンジ分解能を与える。このようなコード化パルスは、「パルス圧縮」波形を有するか、または「パルスコード化された」と言われる。簡単のために、このタイプのパルスは、「チャープ」と呼ばれる。Ｓ Ｇ Ｂｒａｄｌｅｙによる「Ｕｓｅ ｏｆ Ｃｏｄｅｄ Ｗａｖｅｆｏｒｍ ｆｏｒ ＳＯＤＡＲ Ｓｙｓｔｅｍｓ」（Ｍｅｔｅｏｒｏｌ．Ａｔｏｍｏｓ．Ｐｈｙｓ．７１，１５−２３（１９９９）））と称する論文において、シミュレーションによって、レーダーパルス圧縮技術の利用を調査して、ｓｏｄａｒの振幅弁別を改良した。レーダーにおけるパルス圧縮技術の利用例は、Ｂｕｒｋｈａｒｄｔに対する米国特許第６，２０８，２８５号、Ｎｏｒｍａｔらに対する第６、０８７，９８１号、Ｍｒｏｓｋｉらによる第６，０４０，８９８号において記載され得る。このような高度な技術のｓｏｄａｒへの適用にもかかわらず、「Ｔｈｅ Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｓｏｄａｒ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｄｕｅ ｔｏ ｎｏｉｓｅ」（Ｃｒｅｓｃｅｎｔｉ， Ｇ． Ｈ．， １９９８， Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ３２， １４９９−１５０９）と称するＣｒｅｓｃｅｎｔｉによる調査により、１５００ｍという適度な範囲においてでさえ、深刻な問題が残ることが分かった。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（発明の概要）
ある局面では、本発明は、（無関係の音響入力に対して）発信されたチャープからのエコーがチャープの発信中に検知される、空気中の音響測深のための方法および装置を含む。言い換えると、「発信しながら聴く」ことである。
【０００９】
これは、「発信した後に聴く」という戦略を利用する公知のパルスｓｏｄａｒにおいては不可欠である、パルス長を安全な近い範囲の性能に制限する必要を避ける。例えば、従来のｓｏｄａｒのパルス長は、１秒であり、受信機が最初の１秒間遮断されるため、最初の１７０ｍの範囲が失われる。１０秒パルスは、最初の１７００ｍの範囲を失う。従って、通常、従来技術のパルスｓｏｄａｒは、数十ミリセカンドのパルスを利用する。対照的に、本発明のチャープは、少なくとも３００ｍｓの持続時間であり、好ましくは、１０秒よりも長い。実に、本発明は、５０秒までのチャープを利用し、その持続期間のみが、現在の信号処理能力に制限されている。好ましくは、チャープの持続時間は、傾聴時間の少なくとも５％である。すなわち、チャープ発信とエコー受信との間には、少なくとも５％の重なりがあるが、傾聴時間は、カバーされる距離範囲に依存することが理解される。数ｋｍまでの範囲では、本発明は、受信時間の５０％をはるかに超えるチャープ長を好む。従って、１ｋｍ範囲によるシステムでは、チャープ／パルス持続時間は、１５秒であり得、かつ傾聴時間は、２１秒であり得る。２ｋｍ範囲では、本発明は、３１秒のチャープを利用して、４３秒間傾聴する。一般的に、本発明は、チャープ発信の開始時に傾聴し始め、地表からのデータを獲得する。しかし、ある適用例では、本発明は、地表データを望まなくてもよいし、チャープ発信の終了後のある時間に傾聴を開始することを選択してもよい。
【００１０】
チャープが長くなればなるほど、所与の発信器パワーに対するそのエネルギーは大きくなり、かつエコーはより良好に適切な整合フィルタおよび／またはＦｏｕｒｉｅｒ技術を用いて判別され得る。従って、従来の短い高パワーパルスと比較して、長い低パワーチャープを有する発信器からのダイレクト信号の背後で弱いエコーを検知することが、はるかに容易である。さらに、受信機が過負荷になる危険性は、大きなダイナミックレンジを有する現在のマイクロフォンの利用によって低減される。もちろん、直接の発信器信号からの受信機（単数または複数）の音響遮蔽は、センシブルである。
【００１１】
実に、長いチャープおよび整合フィルタ技術の利用によって現在可能となる改良によって、別の局面では、本発明は、３００ｍｓよりも大きいチャープからのエコーが整合フィルタおよびＦｏｕｒｉｅｒ技術を用いて検知されかつ処理される、空気中の音響測深のための方法および装置を含む。「発信後に聴く」または「発信しながら聴く」戦略のどちらが利用されてもよい。既に述べたように、秒のオーダーの持続時間を有するチャープが好ましい。１０秒のチャープ持続時間は、多くの状況において恵まれている。
【００１２】
別の局面では、本発明は、複数の受信機が通常の発信器の近くに配置されることにより、それぞれの受信機が各発信されたチャープからのエコーを受信する、方法および装置を含む。好ましくは、受信機は、共通の音響およびシステムノイズ環境を共有するために十分に近くに配置され、かつ好ましくは、受信機は、同一のダイレクト信号を受信するように構成される（周波数スペクトルおよび振幅の両方において）。このことは、１より多い受信機に共通の受信された信号成分（例えば、ダイレクト信号、グランドクラッターおよびノイズ）が、２つ以上の受信機の位置から信号を区別することによって効果的に除去されることを可能にする。もちろん、「複数の受信機」によって、本発明は、単一の受信機が複数の受信機の位置に移動され、かつ別々のチャープが各受信機位置に対して発信される状況を含むことを意図する。
【００１３】
共通の望まれないダイレクト信号、ならびにコモンノイズ成分およびグランドクラッターの除去が、非常に望まれる一方で、１０秒続くチャープに対して受信された信号において直接的に実施することは非常に難しい。本発明の別の局面によると、本発明は、単一の発信器と共に複数の音響受信機を利用し、整合フィルタ技術を用いて（Ｆｏｕｒｉｅｒ）周波数ドメインの受信した音響信号を処理して、各受信機信号の累積位相出力を発生させ、その後、これらの出力を操作して、適切な計測を達成する。累積位相出力の差異または差分は、垂直の風速における変動のために、ダイレクト信号、コモンノイズ、コモングランドクラッター、およびコモン信号を排除する。残りの差分（ｒｅｓｉｄｕａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）累積出力は、レンジ距離を有する風速の変動を表わす。これは、直接の計測のない垂直な風速による戻ってきたＤｏｐｐｌｅｒ信号と水平の風速による信号との間を判別し得なかった、従来のｓｏｄａｒに関する主要な問題を乗り越える。
【００１４】
しかし、２つ以上の累積位相信号の比較または差分は、信号に共通の始点または基準点を必要とする。これは、便利にも、チャープ発信の開始である。この開始は、受信された直接のチャープの開始、または発信器からの電気信号によって決定され得る。しかし、受信機信号を同期させる多くのほかの方法が可能である。従って、受信機が発信器の近くの共通の音響環境に配置されることが望ましい一方で、直接のチャープが同時に各受信機に到達することを保証するために、発信器から等距離にあることは必須ではない。
【００１５】
２つの別々にコード化されたチャープを発信することによって（同時に２つの発信器を利用するか、または１つの発信器を用いて順番にか）累積位相出力は、全てのコモン信号、およびクロスレンジ風による成分を除去するように操作されて、範囲を有する音速の変動、従って範囲を有する温度の変動を示すさらなる出力の生成を可能にする。好ましくは、２つのチャープは、同一の正および負の線形位相チャープである（例えば、正のものは８００から１６００Ｈｚまで上昇し、負のものは、１６００から８００Ｈｚまで同じ位相速度で下降する）。
【００１６】
従って、本発明の最後に述べられた局面は、ｓ／ｎのさらに大きな改良を提供し、発信しながら聴いているにもかかわらず、従来技術に対して著しく改善されたエコー判別を可能にする。さらに、複数の受信機による処理と同時のエコーの受信および処理は、大いにサイクル時間を改善する。
【００１７】
垂直大気測深のためのシステムにおける受信機の従来の配置は、発信器の周囲のそれぞれのコンパス主要方位点に１つの受信機を配置し、かつ別の受信機に向かうか、またはそこから離れて対向した受信機をわずかに傾けることである。従って、レンジ距離を越えるＮ−Ｓ受信機信号に共通する位相成分は、正味のＮ−Ｓ風の変動に関連する残すための位相差分によって除去される。
【００１８】
本発明は、４つの受信機の利用、垂直測深システム、発信器のまわりの受信機の対称配置のいずれにも制限されない。受信機は、例えば、１つ以上の発信器を有する滑走路グライドパスを横切って、直線状に配置されて、大きな航空機の通過によって引き起こされる持続性の渦を検知し得る。このような渦を作り上げ得る高速の局在化風は、発生したエコーの高いＤｏｐｐｌｅｒシフトが著しい曖昧性を有するので、定量化することは難しい。この場合、本発明の別の局面は、各レンジポイントに対して記録されたエコー信号の繰り返しの分析を含む。このとき、異なる基準チャープの連続によって供給される整合フィルタを利用し、その結果、各レンジポイントでは、（Ｆｏｕｒｉｅｒドメインにおいて）ゼロ位相勾配出力を発生させる基準チャープが、発見される。この基準チャープは、その後、あるレンジポイントの風速を示す。ここで、さらに、渦がないときには「読解」を行って周囲の風およびノイズ条件を記録し、かつ渦が存在する場合は関連する移発信号を発生する信号から引くことが有用である。
【００１９】
発信しながら聴くことは、本発明の最後に説明された局面の実施に対しては不可欠ではないが、それは、長いチャープの利用、エコー弁別、および効果的な排除を可能にするので確かに望ましいことである。
【００２０】
発信された音響チャープは、市販のラウドスピーカー（発信音響トンランデューサー）に（例えば）コンピューターのサウンドカードからの電気入力信号を供給することによって発生し得、一方で、エコーは、市販のマイクロフォン（受信音響トランデューサー）を利用して検知され得る。ラウドスピーカーおよびマイクロフォン（単数または複数）は、別々の集中反射器（プレート、ホム、皿など）にマウントされてもよいし、または共通の反射器にマウントされてもよい。例えば、４つのマイクロフォンは、単一の反射器皿の上の単一のラウドスピーカーの周りに直交して配置され得ることにより、発信軸は、皿に対して実質的に軸方向にある。マイクロフォンは皿の軸に対するオフセットであるので、対抗するペアの受信軸は、発信軸に向かって反対に傾く。すなわち、各受信機は、発信軸に対して皿上の位置と反対の方向から入るエコーに対して最も感度が高い。
【００２１】
ラウドスピーカーおよび複数のマイクロフォンが共通の構造にマウントされる構成により、便利にも、この構造を移動させることによって、発信軸が望まれるように向かうか、セットされることが可能になる。低い標高の発信軸を有するシステムを利用して、例えば、空港に着陸または離陸する大きな航空機によって、発生する渦を検知するかまたは特徴付け得る。このタイプの空輸システムを利用して、レーダーを利用して検知することが難しい晴天乱気流（ＣＡＴ）についてパイロットに警告することが、まさに可能である。例えば、小型の発信器または受信機システムは、大きな航空機のノーズコーンにマウントされ得る。もしくは、受信機がウィングの先端に沿って一列にマウントされ得るので、発信器は、ノーズコーンにマウントされる必要がある。
【００２２】
述べられたように、受信機の受信軸は、発信軸に対して傾いていてもよいし、複数の受信機および信号差分が利用される場合は、対向する受信機の軸が等しく傾いていることが望ましい。最適な傾斜角は、受信機のアパーチャ、システムのレンジ、および共通の音響環境に受信機を配置させることの好ましさに依存する。３ｋｍレンジを有するシステムの２０度の角度は、受信機を別の受信機から遠くに配置しすぎて共通の音響環境を有することができなくなる可能性が高いが、たった２５０ｍのレンジを有するシステムでは同じようにはなるとは限らない。４度から７度の角度が好ましいが、約２度から約１０度の間の傾斜角が適切であると分かった。発信軸と受信軸との交差点は、ｓｏｄａｒシステムの名目上のレンジであることが意図されないことを理解されたい。実に、メディアアパーチャマイクロフォンは、受信軸が発信軸に対して約４度傾斜している状態で、共通の皿のラウドスピーカーから約１ｍのところに配置される場合、極めて満足のいく結果が達成される。実際に、対向するペアの受信機は、受信軸および発信軸と同一平面上にあるが発信軸の反対側の大きな照らされた領域から、風誘導Ｄｏｐｐｌｅｒ信号を探す。
【００２３】
既に述べたように、共通の発信器に対して等間隔で、かつ近くに複数の受信機を間隔を空けて置くことにより、それぞれの受信機が、同じ周囲のノイズ（および他の共通のコンポーネント）に支配されることが望ましい（必須ではない）。一般的に、ノイズ環境がより大きく、かつ統一されていなければ、その分だけ、受信機を別の受信機に対してより近くに置いて、それぞれの受信機が可能な限り同一の環境のノイズに支配されることを保証する必要がある。本発明により、ノイズの多い環境において、受信機と発信器との間の距離がメーターのオーダーでなければならず、静かな環境では、その距離は１０ｍのオーダーであってもよいことが分かった。
【００２４】
一般的に、発信されたチャープは、音を聴いている対象に適した音調レンジ（音響帯域幅）を有するべきである。本発明により、３０００ｍ以下のウインドシヤーが可聴レンジの低いエッジにおいて（例えば、５００〜５０００Ｈｚ、より好ましくは８００Ｈｚから３ｋＨｚの間、さらに好ましくは、１．０ｋＨｚから２．５ｋＨｚの間）最もよく聴こえることがわかった。
【００２５】
チャープのトーンは、パルス圧縮技術と整合する多くの方法で、周波数および／または位相が変調され得るが、本発明により、線形チャープを利用することが便利であることが分かった。線形ｃｈｒｉｐでは、周波数は、チャープの始めから終わりまで、滑らかかつ直線的に増加または減少する。理想的には、このようなチャープは、一様な速度の位相を有する。正および負の線形チャープの利用は、本明細書中に開示される大気温度を計測する技術によって望まれない位相成分の低減では、特定の値をとる。さらに、線形チャープが容易に発生され得、これらのエコーは、利用可能なＤＳＰを用いる処理、およびパーソナルコンピュータを用いて実装されるＦｏｕｒｉｅｒ技術に便利である。Ｆｏｕｒｉｅｒ技術はパーソナルコンピュータを用いてインプリメントされる。
【００２６】
（既に述べられたように）長い持続時間のチャープは、ハイシステム処理ゲイン（低ｓ／ｎ）の電位を提供し、長いチャープはさらに、このようなゲインを達成するために必要な高い信号サンプリング速度およびＦｏｕｒｉｅｒ技術を利用する際に、有意なコンピューターの要求を生じる。本発明により、現在容易に入手可能なＦＦＴアルゴリズム、ＤＳＰチップ、およびＰＣは、実際的な制限を約９６ｋＨｚのサンプリング速度で約４０〜５０秒のチャープ持続時間に設定することが分かった。これは、通常、３００のレンジでは、１４００サンプル／ｍを表わす。実に、複数の受信機システムのそれぞれの受信機に対して１つのＰＣを専用にすることにより、全ての受信機信号のエコー分析が信号差分が発生するポイントと平行に処理され得るように、コンピューターの要求がなされる。将来的には、チップ、ＦＦＴ／整合フィルタ技術、およびＰＣの開発により、チャープが単一のＰＣを用いて処理されることを可能にするか、現在達成可能なパルス長を用いてはるかに高速の更新時間を可能にし得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（実施例の説明）
本発明の種類を説明してきたが、ここで、添付の図面を参照して特定の実施例が説明される。しかしながら、当業者は、選択された実施例に対して複数の変形および改変が成され得る一方で、上述の本発明の範囲に従うことを理解する。
【００２８】
図１の簡単な平面略図（ａ）〜（ｉ）によって示されるように、本発明によって考えられる音波気象探知システム発信器および受信器が配列され得る複数の可能な方法があり、複数の他の方法が可能である。
【００２９】
略図（ａ）は、共通の放物面反射皿１２内、およびその周囲に間隔を置いて配置され、かつ、単一の拡声器１４が皿の中心焦点１２に配置される簡便かつ経済的な配列を示す。このようにして、発信されたパルスの振幅ローブは垂直であるが、エコーをそれぞれ受信した振幅ローブは、皿１２および拡声器１４の軸に向かってわずかに傾斜する。
【００３０】
図１の略図（ｂ）は、中央に配置された拡声器２０をさらに有する共通の皿１８において均等に間隔を空けて配置された３つのマイクロホン１６を示す。略図（ｃ）は、中央拡声器２４および唯一のオフセットマイクロホン２６を有する皿２２を示し、皿２２は、異なった部分（例えば、略図（ａ）または略図（ｂ）に示される部分）にマイクロホン２４を連続的に置くために回転され得るように取り付けられる。略図（ｄ）は、固有の発信皿３４に取り付けられた関連する拡声器３２から分離し、かつ間隔を空けて配置される共通の受け皿３０に取り付けられた４つのマイクロホン２８を示す。選択的に、受け皿３０の中には、４つより多いか、または少ないマイクロホンが配置され得る。略図（ｅ）は、４つのマイクロホン３６Ｎ、３６Ｓ、３６Ｅおよび３６Ｗの各々は、固有の受け皿３８Ｎ、３８Ｓ、３８Ｅおよび３８Ｗを（それぞれ）有し、単一の拡声器４０は別個の皿４２を有する。略図（ｆ）は、３つのマイクロホン４４、４６および４８、ならびにこれらのそれぞれの皿５０、５２および５４のみが単一のマイクロホン５６およびその皿５８の周囲に配置されることを除いて、略図（ｅ）と類似である。最後に、略図（ｇ）は、単一のマイクロホン６０およびその皿６２が、単一の拡声器６４およびその皿６６の周囲を回転し得るように取り付けられ、これにより、略図（ｅ）および略図（ｆ）のような構成をシミュレーションすることができる。
【００３１】
図１（ｈ）は、ロウに配列された受信器の４つのペア７０ａおよび７０ｂ、７１ａおよび７１ｂ、７２ａおよび７２ｂ、ならびに７３ａおよび７３ｂの線形アレイの平面図であり、各ペアの一方の受信器が１つの発信器（７４）のどちらかの側に配置される。発信器７４は、受信器のラインと直交する幅が狭い球状に伝播されるビームを生成し、これにより、直接信号および共通ノイズを除去するために、各受信器のペアによって受信された信号が処理され得る。図１（ｉ）の線形アレイにおいて（これも平面図で示される）、発信器７６のロウは、受信器７８のロウと平行に配列され、すべての発信器に共通の信号が供給され、これにより、線形に伝播される音波を生成する。図１（ｈ）および図１（ｉ）の配列は、永続的渦を検出するために、空港の、グライドパスを横断して配列するために適切である。［この種類のシステムは、より詳細に後述される。］
図２の略図（Ａ）、（Ｃ）および（Ｅ）は、図１の構成（ａ）、（ｃ）および（ｅ）それぞれの正面図である。
【００３２】
図３に示される第１の例のシステム１００は、図１（ａ）および図２（Ａ）の配列に近く、垂直または傾斜した大気の観測であり、ここで、クロスレンジ（この場合、水平）およびアロングレンジ（この場合、垂直）の両方の風速が必要とされる。しかしながら、便宜的に、破線によって１０１で示される倒立円錐を示すように、発信器からのチャープが垂直に上方に向かって方向付けられる。便宜的に、コンパスのカージナルポイントは、必要に応じて、Ｎ、Ｓ、ＥおよびＷ、ならびに北、南、東および西と呼ばれる。
【００３３】
システム１００は、大型のメイン皿１０２、およびこのメイン皿のすぐ上に取り付けられたを含む。発信器／受信器モジュール１０６は、大きい皿１０２の上の中心で（支材によって（図示せず））支持され、次に、その上部で小さい皿１０４を支持する。モジュール１０６は、吸音モールディング１０８を備え、その底部に、中央拡声器１１０および４つの周辺マイクロホンが嵌合される。
【００３４】
マイクロホンは、方形に配列され、コンパスのカージナルポイントと位置合わせされ、これにより、図３の部分図において、Ｗマイクロホンが１１２で示され（拡声器１１０の東／右側）、Ｅマイクロホンは、図１１４で示される（拡声器１１０の西／左側）。このＥおよびＷマイクロホンの名称との明らかな逆転は便利である。なぜなら、拡声器の西側のマイクロホンは、皿１０４によって反射および集束された後、東から来るエコーに対して最も敏感であるように配置されているからである（東側のマイクロホンについてはこの逆のことがあてはまる）。各マイクロホンの軸は、垂直方向が約３〜１０度傾斜する。拡声器１１０ならびにマイクロホン１１２および１１４は、大きい皿１０２のフォーカスの近傍に配置される。第５の方向性マイクロホン１１６は、小さい皿１０４のフォーカスに配置される。
【００３５】
図３の略図において、単一の水平に反射する大気の不連続性（夜間境界層または他の反転層−ＴＩＬ）１２０が示される。拡声器１１０が垂直方向に下方に向けられるので、この拡声器は、下方に方向付けられた垂直ビームを生成し、これは、中央システム軸１２２に沿って大きい皿１０２によって垂直方向に上方に向かって反射される。しかしながら、呼び掛けパルスのビームは、円錐形であり、軸１２２の周囲のＴＩＬ１２０の有意な領域を示し、エコーは、ある領域から西のマイクロホン１１２の軸１２４に沿って軸１２２の西に戻され、そのマイクロホンによって最も強力に検出される（他のマイクロホンによって検出された信号と比較して）。同様に、ＴＩＬ１２０から軸１２２の東へのエコーが、軸１２６に沿って移動し、東のマイクロホン１１４によって最も強力に受信される。
【００３６】
ＴＩＬ１２０から戻され、かつ、Ｗマイクロホン１１２によって検出されたエコーが経路１２４を中心とする一方で、マイクロホン１１２は、軸の近傍でＴＩＬ１２０の大きい領域からエコーを収集する。従って、軸１２２の近傍のソースからのエコーは、すべてのマイクロホンによって拾われる。従って、すべてのマイクロホンによってほぼ同時に検出されたエコーに共通のドップラー(位相）成分は、軸１２２の近傍においてＴＩＬ１２０の垂直流速を示し、これらの共通の成分が、中央マイクロホン１１６によって検出されたエコーにおいて最も顕著であることが予測される。ＷおよびＥマイクロホン１１２および１１４によって受信されたエコーのドップラー成分が取り去られた場合、垂直流速成分を示す共通のドップラー（位相）成分が除去され、残りのドップラー(位相）成分が東西方向の実風速が原因であることが想定され得る。ＮおよびＳマイクロホンによって受信されたエコーのドップラー成分を同様に取り去ることによって、南北方向の実風速がもたらされる。
【００３７】
実際、当然、エコーを生成し、かつ、このようなエコーが戻る時間がレンジまたは高度を示し、エコーの振幅がそれぞれの不連続性の大きさを示すレンジ内の複数の高度で複数の大気の不連続性がある。
【００３８】
発信のためのチャープの生成、および受信されたエコーの処理は、ソフトウェアまたはハードウェアで、複数の方法で実現され得る。実現のモードは、所望のチャープ長さ受聴時間／意図されたレンジ、サンプリングレート、およびアップデート周波数によって影響が及ぼされる。なぜなら、これらのファクタが、計算要求量を大幅に決定するからである。所望の高処理ゲインを提供するために、０．３秒よりも長いチャープ持続時間が不可欠であり、数１０秒の持続時間が望ましいと考えられる。発信後受聴（ｔｒａｎｓｍｉｔ−ｔｈｅｎ−ｌｉｓｔｅｎ）を用いる従来のパルスシステム戦略は、通常、約数１０ミリ秒の発信時間、および１０００ｍのレンジに対して約６秒の実受聴時間を有する。対照的に、本実施例において、１０００ｍのレンジおよび６秒の実受聴時間に対して、選択されたチャープ持続時間は３７秒であり、全受聴時間は４３秒である。同じ全発信エネルギーに対して、本実施例のチャープは、従来技術に典型的な３７ミリ秒チャープよりも、１０００倍低いピーク電力を有し得る。本実施例の全受聴時間は、従来技術に典型的な１０００ｍレンジの７倍よりも大きく、はるかに大きい処理ゲインの機会を提供する。チャープ（パルス圧縮波形）および照合フィルタ処理を用いることによって、処理ゲインは、さらに数倍倍増される。
【００３９】
しかしながら、実施例のシステムの計算要求量は、重要であり、この場合、各受信器からの信号を処理するために専用のＰＣを用いること、および、別のＰＣをコントローラとして用いることを正当化すると考えられる。図４は、ＮおよびＳ受信マイクロホンが１３０および１３２でそれぞれ示され、専用のＮ、Ｅ、ＷおよびＳおよび垂直（Ｖ）計算ＰＣは、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２および１４３でそれぞれ示され、コントローラＰＣは、１４４で示される。コントローラＰＣ１４４は、発信器／拡声器１１０によって発信するためにチャープを生成し、計算ＰＣによって照合フィルタリングにて用いるための基準チャープを生成する。コントローラＰＣは、さらに、積分、表示、およびレポートのためにＰＣ１３４〜１４２の計算結果を収集する。
【００４０】
この例において、チャープは、３７秒を越えると、線形的に８００Ｈｚから１６００Ｈｚに上昇し（チャープは、同様に、線形的に１６００Ｈｚから８００Ｈｚに容易に減少し得る）、かつ、チャープの持続時間の間、一定の状態である数１００ミリワットの音響出力で放出される。このタイプのパルス圧縮波形は、小さい帯域幅（約８００Ｈｚ）を有し、ＰＣサウンドカード、および数ワットまでの電力用の従来の拡声器駆動回路を用いて、簡単に、正確に生成され得る。これは、さらに、「照合フィルタ」またはコレクタが、高ノイズレベルを用いる受信信号からチャープのエコーを抽出して、各エコーのエネルギーを、発信されたチャープのものよりもはるかに短い期間に効果的に圧縮するために容易に設計および使用され得るためのものでもある。パルス圧縮波形および照合フィルタの使用は、従って、非常に高い処理ゲインをもたらす。
【００４１】
（クロスレンジ風速の測定）
選択された例のシステム１００は、水平（クロスレンジ）ウィンドの種々の特性を測定するために良好に適切である。レンジ距離に関するＥ−Ｗ風速を導出するために、東のエコーと西のエコーとの間の実位相差に影響が及ぼされ態様は、ここで、図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃを参照して記載される。図５Ａのシステムが北のエコーと南のエコーとの間の実位相差を正確に同じ態様で抽出するために複製されることが理解されるべきである。これは、「Ｗ／Ｎ」および「Ｅ／Ｓ」によって図５Ａに示される。しかしながら、以下の記載は、主に、ＥエコーおよびＷエコーの処理に関する。
【００４２】
図５Ａの処理は、専用のＥＰＣ１３８およびＷＰＣ１４０、ならびに制御ＰＣ１４４で実行される。（ｉ）照合フィルタリングを用いて、ノイズのある受信信号から累積位相および振幅情報を抽出し、（ｉｉ）ゼロドップラー信号（および他の共通のノイズ成分）を消去して、実東−西風速を示すドップラー位相信号をもたらすために、Ｅ−Ｗの累積位相情報を差分する。累積位相情報および差分されたＥ−ＷおよびＮ−Ｓ位相情報は、図８においてグラフィカルに示される。Ｅ−ＷおよびＮ−Ｓ信号は、その後、図５Ｂの回路およびプロセスのための入力として用いられ、ここから、風速全体およびウィンドシャー情報が導出される。ＰＣ１３８および１４０は、再び、処理を行い、その結果が制御ＰＣ１４４上で照合および表示され、かつ図９にグラフィカルに示される。図５Ｃは、位相および振幅抽出回路をより詳細に示す。この回路は、図５Ａに示される照合フィルタまたは相関器を備える。位相抽出器は、各受信器について、実質的に同一であり、それぞれの受信器ＰＣにおいて実現される。図５の回路およびプロセスは、一般的に示され、かつ記載される。なぜなら、用いられる技術は、レーダーに用いられる公知の信号処理技術と類似だからである。
【００４３】
図５Ａにおいて、拡声器１１０は上方を指すことが示され、発信されたチャープは、陰影のついたグラフ１５０によって示され、東のマイクロホン１１２は、矢印１５２によって示される入力信号を受信するように、図の右側を指すことが示され、西のマイクロホン１１４は、矢印１５４によって示される入力信号を受信するように、図の左側を向くことが示される。チャープ１５０は、（関連するグラフ１６９によって示される）制御ＰＣ出力１５６を用いて生成され、伝達回路１５８を駆動する。伝達回路１５８は、次に、マッチした拡声器１１０に電源を供給して、伝達チャープ１５０の音響パワーがその全体の帯域（約８００Ｈｚ）で均一であることを保証する。この実施例では、電力は、約０．５ワットであり、都市エリアでさえもアノイアンス（ａｎｎｏｙａｎｃｅ）を引き起こすために十分ではない。
【００４４】
受信された東信号１５２および西信号１５４は、それぞれ、受信器１５９および１６０で処理され（基本的に増幅され、帯域通過フィルタリングされる）、それらの出力は、９６ｋ／ｓでサンプリングされ、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）回路１６１および１６２によってデジタル化され、デジタル受信信号１６３および１６５を生成する。信号１６３または１６５は、図６で示される。
【００４５】
出力１６３および１６５は、位相および振幅抽出回路１６８および１６７に与えられる。位相および振幅抽出回路１６８および１６７は、適合されたフィルタを用いて伝達チャープのバージョンのフーリエ領域で信号１６３および１６５を相関して、それらからエコー位相情報およびエコー振幅情報を抽出する、または、導出する。伝達チャープのサルド（ｓａｌｄ）バージョンが制御ＰＣ１４４によってライン１６８を介して各抽出器１６６／１６７に提供され、８００Ｈｚでシフトダウンされた伝達チャープを含む（すなわち、近傍のグラフ１６９に示されたように０〜８００Ｈｚチャープに変換される）。システムの所望のレンジの帯域選択するために、実際の伝達信号に対して選択ライン１６８の信号を遅延させることがまた、望ましくてもよい。
【００４６】
抽出回路１６６および１６７は、それぞれ２つの出力を有する。抽出器１６６の出力１７０および１７１は、マッチフィルタリング（フーリエ処理）後に入力１６３の累積位相および振幅をそれぞれ示す。東の累積位相が図８（ｉ）に示され、南の累積位相が図８（ｖ）に示され、東および南の大きさが図９（ｉ）の棒グラフで示される。抽出器１６７の出力１７２および１７３は、マッチフィルタリング後の入力１６５の累積位相および振幅をそれぞれ示し、西の累積位相が図８（ｉｉ）に示され、北の累積位相が図８（ｉｖ）に示され、西および北の大きさが図９（ｉ）の棒グラフに示される。累積位相出力１７０および１７２は、コモン位相ノイズ、直接信号およびグラウンドクラッターによるゼロ−ドップラー成分、風速、風向きならびにウインドシャーがどこから導かれ得るのかという情報を含む。累積位相出力１７０および１７２は、ライン１７６のコモン成分および出力を、図８のグラフ（ｉｉｉ）の全Ｅ−Ｗフェーズまたは累積位相として取り除くために、回路１７４で差分される。これらの出力は、Ｅ−Ｗ速度およびウインドシャーが導出される情報を含む。
【００４７】
既に注記したように、図５の回路および処理は、理想的な様態で北信号および南信号に適用され、図８（ｉｖ）によってグラフで示された累積北位相、図８（ｖ）によって示された累積南位相、ならびに、図８（ｖｉ）によって示された高さを有する全南北位相変量を導出する。簡単のため、回路から出力された東西位相差は、１７６Ｅ−Ｗとして識別され、南北位相差が１７６Ｎ−Ｓとして識別される。
【００４８】
図５Ｂは、風速および風向（すなわち、風邪の速度）、ならびに、レンジ距離（この場合、高度）に関するウインドシャーの大きさを生成するために、選択された実施例でどのように出力１７６Ｅ−Ｗおよび１７６Ｎ−Ｓが処理されるかを示す。出力１７６Ｅ−Ｗおよび１７６Ｎ−Ｓは、合成回路１８０に与えられる。図９（ｉｉ）に示されるように合成回路１８０から風向または方向が導出される。これは、風向きをコンパスの正しい象現に置くために、Ｅ−Ｗ信号が正または負であるかどうか、および、Ｎ−Ｓ信号が正または負であるかどうかを判定することによってなされる。従って、正のＥ−Ｗ位相および正のＮ−Ｓ位相は、風向が第１の象現にある、等を示す。第１の象現の角度は、風向をより正確に示す相対ベクトルを計算することによって決定され得る。
【００４９】
２乗和の平方根を取る周知のアルゴリズムを用いることによって、位相信号の大きさは、風速およびウインドシャーの大きさを出力するように決定され得る。これは、出力１７６Ｅ−Ｗおよび１７６Ｎ−Ｓを、各二乗回路１８２および１８４に与えて、加算器１８６のこれらの回路の出力を合計し、回路１８８の平方根を導出することによってなされる。ライン１９０から得られた出力は、高度に対する風速の変動を示す。これは、図９（ｉｉｉ）によって示される。
【００５０】
差分回路１９２を用いてライン１９０の信号の微分を行うことによって、高度を伴うウインドシャーの大きさがライン１９４で出力される。図９（ｉｖ）は、これを示す。ライン１９４の信号は、一連の出力１９８〜２０２等を生成する差分回路１９６を用いて様々な大きさのビン（ｂｉｎ）にウインドシャーを割り当てるようにさらに処理され得る。これは、図９（ｖ）のグラフで示される。
【００５１】
図５Ｃでは、各抽出器の基本動作が示されている。抽出器が実質的に同一であるので、東の受信器用の抽出器１６６のみが示される。また、マッチフィルタおよび本明細書で採用された位相および振幅抽出技術がレーダー技術の当業者に公知であることが認識されている。好ましくは、以前にも記載されているが、各抽出器は、１つの受信器に専用の別のＰＣに実装されている。
【００５２】
抽出器１６６は、基本的にマッチフィルタ２１０を含む。このマッチフィルタ２１０は、フーリエまたは周波数領域で、参照チャープ（通常、伝達チャープのバージョン）を入力信号１６３に含まれる錯乱（ｃｏｎｆｕｓｅｄ）時間領域エコーにマッチングするＥ入力１６３の各デジタルサンプルは、複素数形式に変換される。虚数部（Ｉ）は、乗算器３０２を用いて制御ＰＣ１４４によって供給されたデジタル２０００Ｈｚサイン信号３００を入力と混ぜることによって生成される。実数部（Ｑ）は、乗算器３０６を用いて（ＰＣ１４４によっても供給される）デジタル２０００コサイン信号３０４を入力と混ぜることによって生成される。リスニング期間に取られた各サンプルに対して生じたＩおよびＱ信号は、複素ＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理３０８に与えられる。ここで、全てのサンプルが提示され、アレイとして処理され、周波数領域の出力Ｉ’およびＱ’を生成する。これらの出力は、３１０でローパスフィルタリングされ、上部の帯域を取り除く。図７Ａおよび図７Ｂは、フィルタリングされていない信号成分Ｑ’およびフィルタリングされた信号成分Ｑ’’をそれぞれ示す。フィルタリングされた信号Ｉ’’およびＱ’’は、その後、複素乗算器３１２に渡される。この複素乗算器３１２では、信号は、制御ＰＣ１４４からのダウン変換された出力信号１６８で乗算される。この乗算の結果は、その後、３１４で複素逆ＦＦＴされて、時間領域の実数および虚数サンプル状（ｓａｍｐｌｅ−ｌｉｋｅ）出力Ｉ’’’およびＱ’’’を生成する。
【００５３】
ＩＦＦＴ３１４からの各「サンプル」出力Ｉ’’およびＱ’’は、その後、対応する位相および振幅出力１７０および１７１を提供するように処理される。位相出力１７０は、プロセス３１６で関数Ａｔａｎ２（Ｉ’’／Ｑ’’）を実行することによって生成され、ライン３１８で−π〜＋πの連続位相値をもたらす。その連続位相値は、アンラッププロセス３２０への入力である。アンラッププロセスは、公知であり、インプリメンテーションは、Ｍａｔｌａｂ等のプログラムで利用可能である。基本的には、プロセス３１６は、２π位相シフトの数を数えて、累積位相を生成する。−π〜＋πの遷移（位相は増加する）に対して、位相アキュームレータは、１だけ増加され、そして、逆もまた成り立つ。この出力は、その後、（時間および距離の代わりに）サンプル数に関するラジアンのカウントとして表示され得、図８で表示される。振幅出力１７１は、プロセス３２２で関数（Ｉ２＋Ｑ２）１／２をインプリメントすることによって生成される。図９の棒グラフ（ｉ）は、高さと共に振幅の変動を示す。各振幅読み出しは、大きさを示すように色分けされている。所与の高さでの処理信号振幅の鋭い変動部は、湿度または温度の変化を示し、ウインドシャーを示しているのではないことは、認識されている。しかし、大気の大きな温度差は、風の変化によってなされる。
（気温の測定）
上述の例のシステムを用いて、レンジ距離での気温の変動は、正および負のチャープの利用によって推定され得、発生した累積位相出力を操作し得る。このことは、本出願の第２の詳細な例を含む。
【００５４】
不可欠なものではないが、実質的に同一の正および負の線形チャープの利用は、温度の測定のための手段において高く望まれる。上述の例と一致して、３７秒間、８００Ｈｚから１６００Ｈｚまで周波数が増大する正チャープと１６００Ｈｚから８００Ｈｚまで落ちる負のチャープが周波数が想定される。正チャープが第１に発信され、４３秒のリスニングタイムが経過した後、負チャープがすぐに発信され、負チャープが伝達された後に４３ｓのリスニングタイムがあることがさらに想定される。この場合、正チャープおよび負チャープのための４つの受信器（Ｎ、Ｓ、Ｅ、およびＷ）のそれぞれからの音響信号を個々にデジタル化し、それぞれの累積位相信号を抽出するように上記の様態でそれぞれ処理することに好都合である。
【００５５】
累積位相信号が操作される様態は、ここで、図１０を参照して記載され、図１０では、正チャープのＮ、Ｓ、Ｅ、およびＷの累積位相信号は、入力３００として示され、負チャープのＮ、Ｓ、Ｅ、およびＷの累積位相信号は、入力３０２として示される。入力３００は、加算器３０４において足されて４で割られ、正チャープの水平軸（クロスレンジ）のウィンド成分を取り除き、入力３０２は、加算器３０６において足されて４で割られ、負チャープの水平軸（クロスレンジ）のウィンド成分を取り除く。温度測定の４つの受信器の利用は、同じシステムが同様にうまく水平軸のウィンド測定のために利用され得ることと同様に好都合である。温度測定はまた、垂直にポイントされる単一の受信器を用いることによってなされ得るが、このようなシステムは、水平軸のウィンド測定に利用され得ない。従って、加算器３０４および３０６の出力は、プロセス３０８において差分され、温度に関連した累積位相差を残したままで、直接的な信号、垂直ウィンド、グラウンドクラックおよびノイズの共通の成分を取り除く。従って、この差分信号の勾配は、プロセス３１０において生じ、プロセス３１２において正規化され、このプロセスの出力は、高さ（範囲）を有する温度に関連するある一定の変化である。これを較正するために、グラウンドレベル近くの実際の温度は、３１４における入力であり、高さを有する温度変化のチャート（３１６において示される）が生成され得る。第２の例によって生成される実際のチャートは、図面と共に添付される。
【００５６】
この例のシステムにおける温度測定の物理的なベースは、冷気の層を通過する正チャープの距離に関して全位相前進速度が、負チャープのものよりもわずかに小さく、その差は温度に依存することである。全位相前進速度は、空気における音の伝播による主要成分（通常、１ｋｍの距離に対して半径１４５００π）とチャープ内の内部位相前進速度によるマイナー成分（正チャープでは＋８００×２π／４３または１８半径／秒および負チャープでは−８００×２π／４３または１８半径／秒）との合計から構成される。正チャープの場合、内部速度は、正であり、伝播速度に追加される。負チャープでは、内部速度は、負であり、伝播速度から引かれる。従って、距離に関する累積位相の増加速度は、正チャープよりも負チャープの方がわずかに小さい。しかし、固定された距離の冷たい層が衝突するとき、正チャープの伝播速度は、わずかに減速され、それにより、チャープは、内部位相前進が、それが暖気が同じ距離を伝わる場合よりも比例的に大きくなる距離を伝わるためにより長くなる。そして、増加した内部位相前進が正であるので、それは、（いまより遅い）伝播位相前進にわずかに加わる。冷たい層が、さらに、負チャープの伝播（位相速度）を遅くし、内部（負）位相前進が、結果としてさらに、増加される一方、余分な増加は、負チャープがより遅く位相前進するために、それほど大きくはなく、ゆえに、結果として位相変化のより小さい全累積速度を生じ、時間／距離に関する位相変化の速度のダイバージェンスを生じる。このことは、図１１の図面に示される。
（ダウンレンジのウィンド速度の測定）
本明細書中に記載される原理に従ってダウンレンジのウィンドを推定する（この場合速度）２つの方法がある。第１（第３の例を含む）は、発信後に聴くモードにおいて中心受信器１１６を用いることである。第２（第４の例を含む）は、発信しながら聴くモードにおいて４つのＮ、Ｓ、Ｅ、およびＷの受信器を用いることである。両方の場合において、長いチャープ（３００ｍｓより大きい）は、本明細書中で教示されるように利用され、第１に、低高度領域のある程度の犠牲があり、第２に、精度のある程度の犠牲がある。
【００５７】
第３の例において、約０．５秒の短いチャープは、拡声器１１０によって送られ、すぐその後で、マイクロフォン１１６への入来信号が位相および上述される振幅抽出プロセスによって処理され、対応する累積位相および振幅出力を生成し、それから垂直ウィンド速度変化が読み出されるか、または推論され得る。この方法は、領域の第１の８５ｍを失い、ノイズおよびクロスレンジのウィンド速度により誤差を引き起こすが、長いチャープによって提供されるより大きい解像度が得られる。
【００５８】
第４の例において、全ての受信器はリスニングしている間に、約５秒のチャープが利用され得、各受信器の音響出力はその後に処理され、それぞれの位相および振幅は上述されるように抽出される。図１３を参照すると、Ｎ、Ｓ、Ｅ、およびＷ受信器の累積位相は、３２０で示され、加算器３２２に供給される。そこで、それらは、温度測定の場合において、共に足されて、４で割られ、クロスレンジのウィンドによる共通のエレメントを取り除く。システム依存位相シフト３２３は、次に、プロセス３２４において取り除かれ、それは一定の勾配を有するので、簡単に取り除かれる。プロセス３２４の出力は、ダウンレンジのウィンド速度の変化で示されるが、（比較的短い）直接信号およびグランドクラッターによって分解される。これらの望まない信号成分は、起点（ゼロ距離および時間）での比較的大きい位相信号において著しい。それは、グラウンドレベルにおけるウィンド速度がゼロであることを想定することに適切であるので、初期または残りの位相は、プロセス３２６において累積位相から引かれ、プロセス３２８において正規化され得、３３０において示される表示を生じる。あるいは、結果として生じる位相は、例えば、ラジオゾンデといった他の手段によって得られる所与の高度における公知のウィンド速度に従ってスケーリングされ、較正され得る。
【００５９】
（渦近傍通路の検出）
第４および最後の例において、受信器および発信器のアレイ４００（例えば、図１（ｈ）または（ｉ）に示される）は、エアポート通路の終端にグライドパスを越えて配置される。図１４は、単一の中央発信器４０２および各サイドのロウにおいて伸張する複数の受信器４０４を有する図１（ｈ）において示されるタイプのアレイの使用を示す。全体のアレイは、１５０〜２００ｍを測り得る。図１４において、発信器４０２は、球状に伝播した音響チャープ４０６が生じることが示され、通った跡の渦が４０８で示され、各渦の回転方向を示す矢印４１０が示される。渦とのチャープ４０６のインタラクションは、結果としてエコー４１２の後方散乱を生じる。これは、受信器４０４によって捉えられ、第１の例に記載される様態と同様の様態でそれぞれの一致したフィルタに供給される。複数の受信器が、本明細書中で用いられ、より良好な水平軸解像度を提供し、全体的に受信器の利得を増大する。
【００６０】
しかし、この場合の困難性は、渦から戻った高ドップラーエコーが、結局考慮すべきあいまい性を生じて、渦の位置、サイズおよび速度は、単に第１の例のシステムを用いることによって十分な精度で測定され得る。大きな面の到達より以前に周囲条件の測定を得ること、および、条件の測定を用いて、面が通過した後に、渦の存在と共に得られる条件を調節し、成形することが必要である。周囲の測定は、システムの振幅および位相ならびに周囲の振幅および位相の基準（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）を提供する。この結果は保存される。
【００６１】
渦からのエコーが処理される場合、リターン信号が制御ＰＣによって生成される対応する一連の基準チャープを用いる内部の複数の異なる一致したフィルタに対する複数の異なるドップラーシフト（正、ゼロ、および負）に対して相関されることを除いて、信号処理は、第１の例に記載されるように各受信器に対して進む。次に、各受信器の渦状態に関して計算される各位相は、各それぞれの受信器の周囲条件の対応する計算される位相との差があり、システムおよびノイズ位相シフトを取り除く。このことは、図１５に示される対応するドップラーシフトと共に距離（時間）に関してプロットされ得る残りの、または「過剰な」位相を残す。
【００６２】
次に、ドップラー対距離（高さ）を推定するために、過剰位相がゼロである距離範囲を見出すための各ドップラーシフトの結果の各過剰位相記録を経て検索することが必要である。ゼロ過剰位相がドップラーシフト対距離のグラフが見出されるための領域を重ね合わせることによってなされ得る。このことから、ウィンドの速度対距離を推定することは、簡単なことである。単に、超過位相がさらなるドップラー処理なしで用いられ得ないことは、注意されるべきである。なぜなら、領域のあいまい性効果は、渦の位置およびサイズが十分に位置付けられ得ない範囲外に超過位相の結果を広げるからである。
【００６３】
ブラッドリー（上述される）は、振幅の最適化のための類似の推定プロセスを論じ、基準がその論文になされるべきである。しかし、位相を用いることは、振幅よりもより精度および安定性があり、それによりドップラーの良好な推定が得られることが可能になる。
【００６４】
本発明の出願のいくつかの例が記載されてきた一方で、本発明の方法が音響計測に広く適用され得ること、および多くの代替かつ追加が上掲の特許請求の範囲によって定義されるように本発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１は、発信器および受信器の選択された配列を示す一連の図式的平面図であり、発信器（拡声器）は、斜線の小さい円であり受信器（マイクロホン）は、陰影のない円として示される。
【図２】図２は、同じ場所に配置され、かつ別々に配置された発信器および受信器の配列を示す一連の図式的正面図である。
【図３】図３は、第１のシステムの実施例において、受信器および発信器の配置を示す図式的な断面図である。
【図４】図４は、発信器への信号が生成され、受信器からの信号が処理される一般的な様態を示す図３のシステムの基本設計を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、選択されたシステムの実施例の東西マイクロホンによって受信されたエコーからの東西位相情報を抽出システムを示すブロック図であり、高さに対する風速、風向およびウィンドシャーが第１の実施例のシステムで生成され得る回路およびプロセスの各部を示すブロック図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、選択されたシステムの実施例の東西マイクロホンによって受信されたエコーからの東西位相情報を抽出システムを示すブロック図であり、高さに対する風速、風向およびウィンドシャーが第１の実施例のシステムで生成され得る回路およびプロセスの各部を示すブロック図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、選択されたシステムの実施例の東西マイクロホンによって受信されたエコーからの東西位相情報を抽出システムを示すブロック図であり、高さに対する風速、風向およびウィンドシャーが第１の実施例のシステムで生成され得る回路およびプロセスの各部を示すブロック図である。
【図６】図６は、第１の実施例のシステムの受信器によって検出された通常のデジタル化音響信号を図示するヒストグラムである。
【図７Ａ】図７Ａは、第１の実施例のシステムにおいて、照合フィルタのローパスフィルタの前後における通常信号のグラフである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、第１の実施例のシステムにおいて、照合フィルタのローパスフィルタの前後における通常信号のグラフである。
【図８】図８は、第１の実施例のシステムにおいて、全受信器から導出された累積位相情報を図示する一連のグラフである。
【図９】図９は、第１の実施例のシステムから出力された大気の風の特性を示す棒グラフおよびグラフを含む。
【図１０】図１０は、高さに関する温度が導出されるプロセスの一部を示すブロック図である。
【図１１】図１１は、正および負のチャープの位相信号がどのように差分されて、レンジ距離に対して温度を指示するかを示す表示である。
【図１２】図１２は、開示されたシステムを用いることによって、生成されたレンジ距離に関する温度プロットである。
【図１３】図１３は、高さに対する垂直方向の風速が導出される、プロセスの一部を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、滑走路近傍において、大きな飛行機が残した伴流渦の検出を示す図である。
【図１５】図１５は、レンジ距離に関する過剰位相の概念のバリエーションを示すグラフであり、この関係は、アウェイク（ａｗａｋｅ）渦の風速および高さを計算するように用いられる。
【０００１】
（技術分野）
本発明は、大気測深（ｓｏｕｎｄｉｎｇ）に対する音響信号の利用に関し、より詳細には、低大気圧における、水平風速変動、ウインドシヤー、および／または乱流のような空気速度変動を計測するｓｏｄａｒ（音波気象探知機）技術に関する。しかし、本発明は、温度勾配、温度、熱転換（ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）、および湿度の変動によって生じ得るような、大気圧の局所密度変動の計測に適用され得る。
【０００２】
本発明の装置および方法はまた、空路の安全性を増強し、および／または空港においてより高密度の航空交通を可能にするために、空港近くの風の鉛直分布を描くことにも適用可能である。
【０００３】
本発明の大気測深技術は、ＳＯＤＡＲ、またはＳＯｕｎｄ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇと呼ばれる最近の技術のクラスに分類される。ｓｏｄａｒは、ＲＡＤＡＲ（ＲＡｄｉｏ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）、ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｈｇｔ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）、ＡＥＲＩ（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｅｍｉｔｔａｎｃｅ Ｒａｄｉａｎｃｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）、およびハイブリッドＲＡＳＳ（大気中のＲａｄｉｏ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｏｕｎｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）のような、電磁波を用いる測深技術とは区別されるべきである。しかし、それぞれの現在の形式におけるこれら全ての技術に共通することは、Ｄｏｐｐｌｅｒ信号と関連し、かつこのような信号を処理する際にＦｏｕｒｉｅｒ変換法の利用することである。液体媒体において利用されるため、ＳＯＮＡＲ（ＳＯｕｎｄ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）については言及されていないが、ｓｏｎａｒおよびｓｏｄａｒの音響技術の間には専らいくつかの重複が見られ得る。いくらかのカメラ測距、非破壊試験、および医療イメージングシステムにおけるような、ｓｏｎａｒの側距およびイメージング法は、空中において適用されたことがあるからである。
【背景技術】
【０００４】
（発明の背景）
風の鉛直分布を描くなどのための音響的方法には専ら長い歴史があるが、１９９９年にＣｏｕｌｔｅｒとＫａｌｌｉｓｔｒａｔｏｖａは、総論「Ｔｈｅ Ｒｏｌｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｏｕｎｄｉｎｇ ｉｎ ａ Ｈｉｇｈ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｒａ」（Ｍｅｔｅｏｒｏｌ，Ａｔｏｍｓ．Ｐｈｙｓ．７１，３−１９）において、これらの方法が、これらの見込みまで達していないことを指摘した。これは、主に適切な信号対ノイズ比（ｓ／ｎ）を達成することが不可能なためであったと思われる。大気測深のためのｓｏｄａｒは、ほぼ一般的に、短い（ミリ秒）単一トーンの高電力パルス、複数の受信機、および単一のタイミング回路を利用して、大気中の様々な不連続点の高さを推測するために必要とされる異なる受信機においてエコーのシーケンスを決定する。Ｓｉｖｉａｎに対する１９５０年の米国特許第２，５０７，１２１号は、大気の不連続点の高さを計測する方法を開示した。この方法は、このようなパルスを垂直に大気中へ発信し、かつ発信されたパルスの休止の後に、発信器の近くに位置する２つの同様の受信機を用いて、垂直に戻ってきたエコーを検知することを含む。最も興味深い実施形態では、第１の受信機は、受信するエコーに対して遮蔽されるが、第２の受信機は、遮蔽されず、２つの受信機は、それぞれの出力が妨害され、かつ正味の信号がオシロスコープ上に表示され得るように接続される。通常、エコーが戻ってきた場合、第２の受信機のみが信号を検知するので、ピップ（ｐｉｐ）が表示される。しかし、銃声のような局所的なノイズが起こった場合は、両方の受信機が、同一の信号を検知し、ピップは表示されない。
【０００５】
Ｂａｌｓｅｒに対する１９７３年の米国特許第３，８８９，５３３号は、「音響風センサー」について開示した。音響風センサーでは、音響発信器は、ＣＷ（連続波）またはパルス信号のどちらかによって空気の円柱を照らし、かつリモート受信機は、側面柱の２つ以上の側面の狭いまたは広い部分をポイントされ、そこから側面に沿って散乱した音響エネルギーを検知する。この散乱したエネルギーのＤｏｐｐｌｅｒ成分は、その後抽出されて、様々な高さにおける風速を決定する。いわゆる地上から１０００ｍの、照らされた円柱の一部分を観測するためには、受信機は、おおよそ同じ距離で発信器から間隔を空けてられる必要がある。また、発信器からのダイレクト信号（しばしば「ゼロＤｏｐｐｌｅｒ」信号と呼ばれる）を十分に減弱するために、重要な間隔が必要とされる。滑走路の近くの持続性の渦の検知に対するこのシステムの適用は、ＰｒｏｕｄｌａｎおよびＢａｌｓｅｒに対する米国特許第３，６７１，９２７号に開示される。
【０００６】
ＭｃＡｌｌｉｓｔｅｒに対する１９７２年の米国特許第３，６７５，１９１号は、スピーカーおよびマイクロフォンとして利用することができる音響トランデューサーの４つの隣接するアレイの利用について開示している。このアレイは、コンパスの方位点と一直線に並べられ、それぞれの上面を除き、別のアレイから遮蔽される。短い音響パルスは、垂直上向きに発信され、４つのアレイのそれぞれにおける戻ってきたエコーの相対的なタイミングによって、風の層の高さおよび方位が与えられる。（尚、音響測深の物理学は、ＭｃＡｌｌｉｓｔｅｒらによるＰｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｖｏｌ．５７，５７９−５８７の「Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｏｕｎｄｉｎｇ−Ａ Ｎｅｗ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」において十分に記述される。）Ｂａｌｓｅｒに対する米国特許第４，５５８，５９４号は、異なる方向へ連続的にパルスを導くことができる音響位相アレイの利用について記載している。この１つのパルスからのエコーは、次のパルスが発信される前にアレイによって検知される。Ｆａｇｅらに対する米国特許第５，５２１，８８３号は、同様の位相アレイを利用して、異なる方向に異なる周波数のパルスを発信し、その後、同時に全てのエコーを聴き、それにより、サイクル時間を減少する。後者のシステムにおけるパルス発信の通常の仰角は、２０から３０度の間である。比較的に低い仰角は、（垂直方向ではなく）水平方向の当該の方向の風速のために、戻ってきたエコーのＤｏｐｐｌｅｒ成分を増大させることになる。
【０００７】
近年、レーダーＤＳＰ（デジタル信号処理）技術は、ｓｏｄａｒに適用され、ｓ／ｎの改善を達成した。特に、パルス圧縮技術が利用され、位相または周波数コード化パルスからのエコーは、Ｆｏｕｒｉｅｒ変換を用いた整合フィルタによって処理されて、十分に高いピーク電力を有するより短いパルスと通常関連するレンジ分解能を与える。このようなコード化パルスは、「パルス圧縮」波形を有するか、または「パルスコード化された」と言われる。簡単のために、このタイプのパルスは、「チャープ」と呼ばれる。Ｓ Ｇ Ｂｒａｄｌｅｙによる「Ｕｓｅ ｏｆ Ｃｏｄｅｄ Ｗａｖｅｆｏｒｍ ｆｏｒ ＳＯＤＡＲ Ｓｙｓｔｅｍｓ」（Ｍｅｔｅｏｒｏｌ．Ａｔｏｍｏｓ．Ｐｈｙｓ．７１，１５−２３（１９９９）））と称する論文において、シミュレーションによって、レーダーパルス圧縮技術の利用を調査して、ｓｏｄａｒの振幅弁別を改良した。レーダーにおけるパルス圧縮技術の利用例は、Ｂｕｒｋｈａｒｄｔに対する米国特許第６，２０８，２８５号、Ｎｏｒｍａｔらに対する第６、０８７，９８１号、Ｍｒｏｓｋｉらによる第６，０４０，８９８号において記載され得る。このような高度な技術のｓｏｄａｒへの適用にもかかわらず、「Ｔｈｅ Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｓｏｄａｒ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｄｕｅ ｔｏ ｎｏｉｓｅ」（Ｃｒｅｓｃｅｎｔｉ， Ｇ． Ｈ．， １９９８， Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ３２， １４９９−１５０９）と称するＣｒｅｓｃｅｎｔｉによる調査により、１５００ｍという適度な範囲においてでさえ、深刻な問題が残ることが分かった。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（発明の概要）
ある局面では、本発明は、（無関係の音響入力に対して）発信されたチャープからのエコーがチャープの発信中に検知される、空気中の音響測深のための方法および装置を含む。言い換えると、「発信しながら聴く」ことである。
【０００９】
これは、「発信した後に聴く」という戦略を利用する公知のパルスｓｏｄａｒにおいては不可欠である、パルス長を安全な近い範囲の性能に制限する必要を避ける。例えば、従来のｓｏｄａｒのパルス長は、１秒であり、受信機が最初の１秒間遮断されるため、最初の１７０ｍの範囲が失われる。１０秒パルスは、最初の１７００ｍの範囲を失う。従って、通常、従来技術のパルスｓｏｄａｒは、数十ミリセカンドのパルスを利用する。対照的に、本発明のチャープは、少なくとも３００ｍｓの持続時間であり、好ましくは、１０秒よりも長い。実に、本発明は、５０秒までのチャープを利用し、その持続期間のみが、現在の信号処理能力に制限されている。好ましくは、チャープの持続時間は、傾聴時間の少なくとも５％である。すなわち、チャープ発信とエコー受信との間には、少なくとも５％の重なりがあるが、傾聴時間は、カバーされる距離範囲に依存することが理解される。数ｋｍまでの範囲では、本発明は、受信時間の５０％をはるかに超えるチャープ長を好む。従って、１ｋｍ範囲によるシステムでは、チャープ／パルス持続時間は、１５秒であり得、かつ傾聴時間は、２１秒であり得る。２ｋｍ範囲では、本発明は、３１秒のチャープを利用して、４３秒間傾聴する。一般的に、本発明は、チャープ発信の開始時に傾聴し始め、地表からのデータを獲得する。しかし、ある適用例では、本発明は、地表データを望まなくてもよいし、チャープ発信の終了後のある時間に傾聴を開始することを選択してもよい。
【００１０】
チャープが長くなればなるほど、所与の発信器パワーに対するそのエネルギーは大きくなり、かつエコーはより良好に適切な整合フィルタおよび／またはＦｏｕｒｉｅｒ技術を用いて判別され得る。従って、従来の短い高パワーパルスと比較して、長い低パワーチャープを有する発信器からのダイレクト信号の背後で弱いエコーを検知することが、はるかに容易である。さらに、受信機が過負荷になる危険性は、大きなダイナミックレンジを有する現在のマイクロフォンの利用によって低減される。もちろん、直接の発信器信号からの受信機（単数または複数）の音響遮蔽は、センシブルである。
【００１１】
実に、長いチャープおよび整合フィルタ技術の利用によって現在可能となる改良によって、別の局面では、本発明は、３００ｍｓよりも大きいチャープからのエコーが整合フィルタおよびＦｏｕｒｉｅｒ技術を用いて検知されかつ処理される、空気中の音響測深のための方法および装置を含む。「発信後に聴く」または「発信しながら聴く」戦略のどちらが利用されてもよい。既に述べたように、秒のオーダーの持続時間を有するチャープが好ましい。１０秒のチャープ持続時間は、多くの状況において恵まれている。
【００１２】
別の局面では、本発明は、複数の受信機が通常の発信器の近くに配置されることにより、それぞれの受信機が各発信されたチャープからのエコーを受信する、方法および装置を含む。好ましくは、受信機は、共通の音響およびシステムノイズ環境を共有するために十分に近くに配置され、かつ好ましくは、受信機は、同一のダイレクト信号を受信するように構成される（周波数スペクトルおよび振幅の両方において）。このことは、１より多い受信機に共通の受信された信号成分（例えば、ダイレクト信号、グランドクラッターおよびノイズ）が、２つ以上の受信機の位置から信号を区別することによって効果的に除去されることを可能にする。もちろん、「複数の受信機」によって、本発明は、単一の受信機が複数の受信機の位置に移動され、かつ別々のチャープが各受信機位置に対して発信される状況を含むことを意図する。
【００１３】
共通の望まれないダイレクト信号、ならびにコモンノイズ成分およびグランドクラッターの除去が、非常に望まれる一方で、１０秒続くチャープに対して受信された信号において直接的に実施することは非常に難しい。本発明の別の局面によると、本発明は、単一の発信器と共に複数の音響受信機を利用し、整合フィルタ技術を用いて（Ｆｏｕｒｉｅｒ）周波数ドメインの受信した音響信号を処理して、各受信機信号の累積位相出力を発生させ、その後、これらの出力を操作して、適切な計測を達成する。累積位相出力の差異または差分は、垂直の風速における変動のために、ダイレクト信号、コモンノイズ、コモングランドクラッター、およびコモン信号を排除する。残りの差分（ｒｅｓｉｄｕａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）累積出力は、レンジ距離を有する風速の変動を表わす。これは、直接の計測のない垂直な風速による戻ってきたＤｏｐｐｌｅｒ信号と水平の風速による信号との間を判別し得なかった、従来のｓｏｄａｒに関する主要な問題を乗り越える。
【００１４】
しかし、２つ以上の累積位相信号の比較または差分は、信号に共通の始点または基準点を必要とする。これは、便利にも、チャープ発信の開始である。この開始は、受信された直接のチャープの開始、または発信器からの電気信号によって決定され得る。しかし、受信機信号を同期させる多くのほかの方法が可能である。従って、受信機が発信器の近くの共通の音響環境に配置されることが望ましい一方で、直接のチャープが同時に各受信機に到達することを保証するために、発信器から等距離にあることは必須ではない。
【００１５】
２つの別々にコード化されたチャープを発信することによって（同時に２つの発信器を利用するか、または１つの発信器を用いて順番にか）累積位相出力は、全てのコモン信号、およびクロスレンジ風による成分を除去するように操作されて、範囲を有する音速の変動、従って範囲を有する温度の変動を示すさらなる出力の生成を可能にする。好ましくは、２つのチャープは、同一の正および負の線形位相チャープである（例えば、正のものは８００から１６００Ｈｚまで上昇し、負のものは、１６００から８００Ｈｚまで同じ位相速度で下降する）。
【００１６】
従って、本発明の最後に述べられた局面は、ｓ／ｎのさらに大きな改良を提供し、発信しながら聴いているにもかかわらず、従来技術に対して著しく改善されたエコー判別を可能にする。さらに、複数の受信機による処理と同時のエコーの受信および処理は、大いにサイクル時間を改善する。
【００１７】
垂直大気測深のためのシステムにおける受信機の従来の配置は、発信器の周囲のそれぞれのコンパス主要方位点に１つの受信機を配置し、かつ別の受信機に向かうか、またはそこから離れて対向した受信機をわずかに傾けることである。従って、レンジ距離を越えるＮ−Ｓ受信機信号に共通する位相成分は、正味のＮ−Ｓ風の変動に関連する残すための位相差分によって除去される。
【００１８】
本発明は、４つの受信機の利用、垂直測深システム、発信器のまわりの受信機の対称配置のいずれにも制限されない。受信機は、例えば、１つ以上の発信器を有する滑走路グライドパスを横切って、直線状に配置されて、大きな航空機の通過によって引き起こされる持続性の渦を検知し得る。このような渦を作り上げ得る高速の局在化風は、発生したエコーの高いＤｏｐｐｌｅｒシフトが著しい曖昧性を有するので、定量化することは難しい。この場合、本発明の別の局面は、各レンジポイントに対して記録されたエコー信号の繰り返しの分析を含む。このとき、異なる基準チャープの連続によって供給される整合フィルタを利用し、その結果、各レンジポイントでは、（Ｆｏｕｒｉｅｒドメインにおいて）ゼロ位相勾配出力を発生させる基準チャープが、発見される。この基準チャープは、その後、あるレンジポイントの風速を示す。ここで、さらに、渦がないときには「読解」を行って周囲の風およびノイズ条件を記録し、かつ渦が存在する場合は関連する移発信号を発生する信号から引くことが有用である。
【００１９】
発信しながら聴くことは、本発明の最後に説明された局面の実施に対しては不可欠ではないが、それは、長いチャープの利用、エコー弁別、および効果的な排除を可能にするので確かに望ましいことである。
【００２０】
発信された音響チャープは、市販のラウドスピーカー（発信音響トンランデューサー）に（例えば）コンピューターのサウンドカードからの電気入力信号を供給することによって発生し得、一方で、エコーは、市販のマイクロフォン（受信音響トランデューサー）を利用して検知され得る。ラウドスピーカーおよびマイクロフォン（単数または複数）は、別々の集中反射器（プレート、ホム、皿など）にマウントされてもよいし、または共通の反射器にマウントされてもよい。例えば、４つのマイクロフォンは、単一の反射器皿の上の単一のラウドスピーカーの周りに直交して配置され得ることにより、発信軸は、皿に対して実質的に軸方向にある。マイクロフォンは皿の軸に対するオフセットであるので、対抗するペアの受信軸は、発信軸に向かって反対に傾く。すなわち、各受信機は、発信軸に対して皿上の位置と反対の方向から入るエコーに対して最も感度が高い。
【００２１】
ラウドスピーカーおよび複数のマイクロフォンが共通の構造にマウントされる構成により、便利にも、この構造を移動させることによって、発信軸が望まれるように向かうか、セットされることが可能になる。低い標高の発信軸を有するシステムを利用して、例えば、空港に着陸または離陸する大きな航空機によって、発生する渦を検知するかまたは特徴付け得る。このタイプの空輸システムを利用して、レーダーを利用して検知することが難しい晴天乱気流（ＣＡＴ）についてパイロットに警告することが、まさに可能である。例えば、小型の発信器または受信機システムは、大きな航空機のノーズコーンにマウントされ得る。もしくは、受信機がウィングの先端に沿って一列にマウントされ得るので、発信器は、ノーズコーンにマウントされる必要がある。
【００２２】
述べられたように、受信機の受信軸は、発信軸に対して傾いていてもよいし、複数の受信機および信号差分が利用される場合は、対向する受信機の軸が等しく傾いていることが望ましい。最適な傾斜角は、受信機のアパーチャ、システムのレンジ、および共通の音響環境に受信機を配置させることの好ましさに依存する。３ｋｍレンジを有するシステムの２０度の角度は、受信機を別の受信機から遠くに配置しすぎて共通の音響環境を有することができなくなる可能性が高いが、たった２５０ｍのレンジを有するシステムでは同じようにはなるとは限らない。４度から７度の角度が好ましいが、約２度から約１０度の間の傾斜角が適切であると分かった。発信軸と受信軸との交差点は、ｓｏｄａｒシステムの名目上のレンジであることが意図されないことを理解されたい。実に、メディアアパーチャマイクロフォンは、受信軸が発信軸に対して約４度傾斜している状態で、共通の皿のラウドスピーカーから約１ｍのところに配置される場合、極めて満足のいく結果が達成される。実際に、対向するペアの受信機は、受信軸および発信軸と同一平面上にあるが発信軸の反対側の大きな照らされた領域から、風誘導Ｄｏｐｐｌｅｒ信号を探す。
【００２３】
既に述べたように、共通の発信器に対して等間隔で、かつ近くに複数の受信機を間隔を空けて置くことにより、それぞれの受信機が、同じ周囲のノイズ（および他の共通のコンポーネント）に支配されることが望ましい（必須ではない）。一般的に、ノイズ環境がより大きく、かつ統一されていなければ、その分だけ、受信機を別の受信機に対してより近くに置いて、それぞれの受信機が可能な限り同一の環境のノイズに支配されることを保証する必要がある。本発明により、ノイズの多い環境において、受信機と発信器との間の距離がメーターのオーダーでなければならず、静かな環境では、その距離は１０ｍのオーダーであってもよいことが分かった。
【００２４】
一般的に、発信されたチャープは、音を聴いている対象に適した音調レンジ（音響帯域幅）を有するべきである。本発明により、３０００ｍ以下のウインドシヤーが可聴レンジの低いエッジにおいて（例えば、５００〜５０００Ｈｚ、より好ましくは８００Ｈｚから３ｋＨｚの間、さらに好ましくは、１．０ｋＨｚから２．５ｋＨｚの間）最もよく聴こえることがわかった。
【００２５】
チャープのトーンは、パルス圧縮技術と整合する多くの方法で、周波数および／または位相が変調され得るが、本発明により、線形チャープを利用することが便利であることが分かった。線形ｃｈｒｉｐでは、周波数は、チャープの始めから終わりまで、滑らかかつ直線的に増加または減少する。理想的には、このようなチャープは、一様な速度の位相を有する。正および負の線形チャープの利用は、本明細書中に開示される大気温度を計測する技術によって望まれない位相成分の低減では、特定の値をとる。さらに、線形チャープが容易に発生され得、これらのエコーは、利用可能なＤＳＰを用いる処理、およびパーソナルコンピュータを用いて実装されるＦｏｕｒｉｅｒ技術に便利である。Ｆｏｕｒｉｅｒ技術はパーソナルコンピュータを用いてインプリメントされる。
【００２６】
（既に述べられたように）長い持続時間のチャープは、ハイシステム処理ゲイン（低ｓ／ｎ）の電位を提供し、長いチャープはさらに、このようなゲインを達成するために必要な高い信号サンプリング速度およびＦｏｕｒｉｅｒ技術を利用する際に、有意なコンピューターの要求を生じる。本発明により、現在容易に入手可能なＦＦＴアルゴリズム、ＤＳＰチップ、およびＰＣは、実際的な制限を約９６ｋＨｚのサンプリング速度で約４０〜５０秒のチャープ持続時間に設定することが分かった。これは、通常、３００のレンジでは、１４００サンプル／ｍを表わす。実に、複数の受信機システムのそれぞれの受信機に対して１つのＰＣを専用にすることにより、全ての受信機信号のエコー分析が信号差分が発生するポイントと平行に処理され得るように、コンピューターの要求がなされる。将来的には、チップ、ＦＦＴ／整合フィルタ技術、およびＰＣの開発により、チャープが単一のＰＣを用いて処理されることを可能にするか、現在達成可能なパルス長を用いてはるかに高速の更新時間を可能にし得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（実施例の説明）
本発明の種類を説明してきたが、ここで、添付の図面を参照して特定の実施例が説明される。しかしながら、当業者は、選択された実施例に対して複数の変形および改変が成され得る一方で、上述の本発明の範囲に従うことを理解する。
【００２８】
図１の簡単な平面略図（ａ）〜（ｉ）によって示されるように、本発明によって考えられる音波気象探知システム発信器および受信器が配列され得る複数の可能な方法があり、複数の他の方法が可能である。
【００２９】
略図（ａ）は、共通の放物面反射皿１２内、およびその周囲に間隔を置いて配置され、かつ、単一の拡声器１４が皿の中心焦点１２に配置される簡便かつ経済的な配列を示す。このようにして、発信されたパルスの振幅ローブは垂直であるが、エコーをそれぞれ受信した振幅ローブは、皿１２および拡声器１４の軸に向かってわずかに傾斜する。
【００３０】
図１の略図（ｂ）は、中央に配置された拡声器２０をさらに有する共通の皿１８において均等に間隔を空けて配置された３つのマイクロホン１６を示す。略図（ｃ）は、中央拡声器２４および唯一のオフセットマイクロホン２６を有する皿２２を示し、皿２２は、異なった部分（例えば、略図（ａ）または略図（ｂ）に示される部分）にマイクロホン２４を連続的に置くために回転され得るように取り付けられる。略図（ｄ）は、固有の発信皿３４に取り付けられた関連する拡声器３２から分離し、かつ間隔を空けて配置される共通の受け皿３０に取り付けられた４つのマイクロホン２８を示す。選択的に、受け皿３０の中には、４つより多いか、または少ないマイクロホンが配置され得る。略図（ｅ）は、４つのマイクロホン３６Ｎ、３６Ｓ、３６Ｅおよび３６Ｗの各々は、固有の受け皿３８Ｎ、３８Ｓ、３８Ｅおよび３８Ｗを（それぞれ）有し、単一の拡声器４０は別個の皿４２を有する。略図（ｆ）は、３つのマイクロホン４４、４６および４８、ならびにこれらのそれぞれの皿５０、５２および５４のみが単一のマイクロホン５６およびその皿５８の周囲に配置されることを除いて、略図（ｅ）と類似である。最後に、略図（ｇ）は、単一のマイクロホン６０およびその皿６２が、単一の拡声器６４およびその皿６６の周囲を回転し得るように取り付けられ、これにより、略図（ｅ）および略図（ｆ）のような構成をシミュレーションすることができる。
【００３１】
図１（ｈ）は、ロウに配列された受信器の４つのペア７０ａおよび７０ｂ、７１ａおよび７１ｂ、７２ａおよび７２ｂ、ならびに７３ａおよび７３ｂの線形アレイの平面図であり、各ペアの一方の受信器が１つの発信器（７４）のどちらかの側に配置される。発信器７４は、受信器のラインと直交する幅が狭い球状に伝播されるビームを生成し、これにより、直接信号および共通ノイズを除去するために、各受信器のペアによって受信された信号が処理され得る。図１（ｉ）の線形アレイにおいて（これも平面図で示される）、発信器７６のロウは、受信器７８のロウと平行に配列され、すべての発信器に共通の信号が供給され、これにより、線形に伝播される音波を生成する。図１（ｈ）および図１（ｉ）の配列は、永続的渦を検出するために、空港の、グライドパスを横断して配列するために適切である。［この種類のシステムは、より詳細に後述される。］
図２の略図（Ａ）、（Ｃ）および（Ｅ）は、図１の構成（ａ）、（ｃ）および（ｅ）それぞれの正面図である。
【００３２】
図３に示される第１の例のシステム１００は、図１（ａ）および図２（Ａ）の配列に近く、垂直または傾斜した大気の観測であり、ここで、クロスレンジ（この場合、水平）およびアロングレンジ（この場合、垂直）の両方の風速が必要とされる。しかしながら、便宜的に、破線によって１０１で示される倒立円錐を示すように、発信器からのチャープが垂直に上方に向かって方向付けられる。便宜的に、コンパスのカージナルポイントは、必要に応じて、Ｎ、Ｓ、ＥおよびＷ、ならびに北、南、東および西と呼ばれる。
【００３３】
システム１００は、大型のメイン皿１０２、およびこのメイン皿のすぐ上に取り付けられたを含む。発信器／受信器モジュール１０６は、大きい皿１０２の上の中心で（支材によって（図示せず））支持され、次に、その上部で小さい皿１０４を支持する。モジュール１０６は、吸音モールディング１０８を備え、その底部に、中央拡声器１１０および４つの周辺マイクロホンが嵌合される。
【００３４】
マイクロホンは、方形に配列され、コンパスのカージナルポイントと位置合わせされ、これにより、図３の部分図において、Ｗマイクロホンが１１２で示され（拡声器１１０の東／右側）、Ｅマイクロホンは、図１１４で示される（拡声器１１０の西／左側）。このＥおよびＷマイクロホンの名称との明らかな逆転は便利である。なぜなら、拡声器の西側のマイクロホンは、皿１０４によって反射および集束された後、東から来るエコーに対して最も敏感であるように配置されているからである（東側のマイクロホンについてはこの逆のことがあてはまる）。各マイクロホンの軸は、垂直方向が約３〜１０度傾斜する。拡声器１１０ならびにマイクロホン１１２および１１４は、大きい皿１０２のフォーカスの近傍に配置される。第５の方向性マイクロホン１１６は、小さい皿１０４のフォーカスに配置される。
【００３５】
図３の略図において、単一の水平に反射する大気の不連続性（夜間境界層または他の反転層−ＴＩＬ）１２０が示される。拡声器１１０が垂直方向に下方に向けられるので、この拡声器は、下方に方向付けられた垂直ビームを生成し、これは、中央システム軸１２２に沿って大きい皿１０２によって垂直方向に上方に向かって反射される。しかしながら、呼び掛けパルスのビームは、円錐形であり、軸１２２の周囲のＴＩＬ１２０の有意な領域を示し、エコーは、ある領域から西のマイクロホン１１２の軸１２４に沿って軸１２２の西に戻され、そのマイクロホンによって最も強力に検出される（他のマイクロホンによって検出された信号と比較して）。同様に、ＴＩＬ１２０から軸１２２の東へのエコーが、軸１２６に沿って移動し、東のマイクロホン１１４によって最も強力に受信される。
【００３６】
ＴＩＬ１２０から戻され、かつ、Ｗマイクロホン１１２によって検出されたエコーが経路１２４を中心とする一方で、マイクロホン１１２は、軸の近傍でＴＩＬ１２０の大きい領域からエコーを収集する。従って、軸１２２の近傍のソースからのエコーは、すべてのマイクロホンによって拾われる。従って、すべてのマイクロホンによってほぼ同時に検出されたエコーに共通のドップラー(位相）成分は、軸１２２の近傍においてＴＩＬ１２０の垂直流速を示し、これらの共通の成分が、中央マイクロホン１１６によって検出されたエコーにおいて最も顕著であることが予測される。ＷおよびＥマイクロホン１１２および１１４によって受信されたエコーのドップラー成分が取り去られた場合、垂直流速成分を示す共通のドップラー（位相）成分が除去され、残りのドップラー(位相）成分が東西方向の実風速が原因であることが想定され得る。ＮおよびＳマイクロホンによって受信されたエコーのドップラー成分を同様に取り去ることによって、南北方向の実風速がもたらされる。
【００３７】
実際、当然、エコーを生成し、かつ、このようなエコーが戻る時間がレンジまたは高度を示し、エコーの振幅がそれぞれの不連続性の大きさを示すレンジ内の複数の高度で複数の大気の不連続性がある。
【００３８】
発信のためのチャープの生成、および受信されたエコーの処理は、ソフトウェアまたはハードウェアで、複数の方法で実現され得る。実現のモードは、所望のチャープ長さ受聴時間／意図されたレンジ、サンプリングレート、およびアップデート周波数によって影響が及ぼされる。なぜなら、これらのファクタが、計算要求量を大幅に決定するからである。所望の高処理ゲインを提供するために、０．３秒よりも長いチャープ持続時間が不可欠であり、数１０秒の持続時間が望ましいと考えられる。発信後受聴（ｔｒａｎｓｍｉｔ−ｔｈｅｎ−ｌｉｓｔｅｎ）を用いる従来のパルスシステム戦略は、通常、約数１０ミリ秒の発信時間、および１０００ｍのレンジに対して約６秒の実受聴時間を有する。対照的に、本実施例において、１０００ｍのレンジおよび６秒の実受聴時間に対して、選択されたチャープ持続時間は３７秒であり、全受聴時間は４３秒である。同じ全発信エネルギーに対して、本実施例のチャープは、従来技術に典型的な３７ミリ秒チャープよりも、１０００倍低いピーク電力を有し得る。本実施例の全受聴時間は、従来技術に典型的な１０００ｍレンジの７倍よりも大きく、はるかに大きい処理ゲインの機会を提供する。チャープ（パルス圧縮波形）および照合フィルタ処理を用いることによって、処理ゲインは、さらに数倍倍増される。
【００３９】
しかしながら、実施例のシステムの計算要求量は、重要であり、この場合、各受信器からの信号を処理するために専用のＰＣを用いること、および、別のＰＣをコントローラとして用いることを正当化すると考えられる。図４は、ＮおよびＳ受信マイクロホンが１３０および１３２でそれぞれ示され、専用のＮ、Ｅ、ＷおよびＳおよび垂直（Ｖ）計算ＰＣは、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２および１４３でそれぞれ示され、コントローラＰＣは、１４４で示される。コントローラＰＣ１４４は、発信器／拡声器１１０によって発信するためにチャープを生成し、計算ＰＣによって照合フィルタリングにて用いるための基準チャープを生成する。コントローラＰＣは、さらに、積分、表示、およびレポートのためにＰＣ１３４〜１４２の計算結果を収集する。
【００４０】
この例において、チャープは、３７秒を越えると、線形的に８００Ｈｚから１６００Ｈｚに上昇し（チャープは、同様に、線形的に１６００Ｈｚから８００Ｈｚに容易に減少し得る）、かつ、チャープの持続時間の間、一定の状態である数１００ミリワットの音響出力で放出される。このタイプのパルス圧縮波形は、小さい帯域幅（約８００Ｈｚ）を有し、ＰＣサウンドカード、および数ワットまでの電力用の従来の拡声器駆動回路を用いて、簡単に、正確に生成され得る。これは、さらに、「照合フィルタ」またはコレクタが、高ノイズレベルを用いる受信信号からチャープのエコーを抽出して、各エコーのエネルギーを、発信されたチャープのものよりもはるかに短い期間に効果的に圧縮するために容易に設計および使用され得るためのものでもある。パルス圧縮波形および照合フィルタの使用は、従って、非常に高い処理ゲインをもたらす。
【００４１】
（クロスレンジ風速の測定）
選択された例のシステム１００は、水平（クロスレンジ）ウィンドの種々の特性を測定するために良好に適切である。レンジ距離に関するＥ−Ｗ風速を導出するために、東のエコーと西のエコーとの間の実位相差に影響が及ぼされ態様は、ここで、図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃを参照して記載される。図５Ａのシステムが北のエコーと南のエコーとの間の実位相差を正確に同じ態様で抽出するために複製されることが理解されるべきである。これは、「Ｗ／Ｎ」および「Ｅ／Ｓ」によって図５Ａに示される。しかしながら、以下の記載は、主に、ＥエコーおよびＷエコーの処理に関する。
【００４２】
図５Ａの処理は、専用のＥＰＣ１３８およびＷＰＣ１４０、ならびに制御ＰＣ１４４で実行される。（ｉ）照合フィルタリングを用いて、ノイズのある受信信号から累積位相および振幅情報を抽出し、（ｉｉ）ゼロドップラー信号（および他の共通のノイズ成分）を消去して、実東−西風速を示すドップラー位相信号をもたらすために、Ｅ−Ｗの累積位相情報を差分する。累積位相情報および差分されたＥ−ＷおよびＮ−Ｓ位相情報は、図８においてグラフィカルに示される。Ｅ−ＷおよびＮ−Ｓ信号は、その後、図５Ｂの回路およびプロセスのための入力として用いられ、ここから、風速全体およびウィンドシャー情報が導出される。ＰＣ１３８および１４０は、再び、処理を行い、その結果が制御ＰＣ１４４上で照合および表示され、かつ図９にグラフィカルに示される。図５Ｃは、位相および振幅抽出回路をより詳細に示す。この回路は、図５Ａに示される照合フィルタまたは相関器を備える。位相抽出器は、各受信器について、実質的に同一であり、それぞれの受信器ＰＣにおいて実現される。図５の回路およびプロセスは、一般的に示され、かつ記載される。なぜなら、用いられる技術は、レーダーに用いられる公知の信号処理技術と類似だからである。
【００４３】
図５Ａにおいて、拡声器１１０は上方を指すことが示され、発信されたチャープは、陰影のついたグラフ１５０によって示され、東のマイクロホン１１２は、矢印１５２によって示される入力信号を受信するように、図の右側を指すことが示され、西のマイクロホン１１４は、矢印１５４によって示される入力信号を受信するように、図の左側を向くことが示される。チャープ１５０は、（関連するグラフ１６９によって示される）制御ＰＣ出力１５６を用いて生成され、伝達回路１５８を駆動する。伝達回路１５８は、次に、マッチした拡声器１１０に電源を供給して、伝達チャープ１５０の音響パワーがその全体の帯域（約８００Ｈｚ）で均一であることを保証する。この実施例では、電力は、約０．５ワットであり、都市エリアでさえもアノイアンス（ａｎｎｏｙａｎｃｅ）を引き起こすために十分ではない。
【００４４】
受信された東信号１５２および西信号１５４は、それぞれ、受信器１５９および１６０で処理され（基本的に増幅され、帯域通過フィルタリングされる）、それらの出力は、９６ｋ／ｓでサンプリングされ、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）回路１６１および１６２によってデジタル化され、デジタル受信信号１６３および１６５を生成する。信号１６３または１６５は、図６で示される。
【００４５】
出力１６３および１６５は、位相および振幅抽出回路１６８および１６７に与えられる。位相および振幅抽出回路１６８および１６７は、適合されたフィルタを用いて伝達チャープのバージョンのフーリエ領域で信号１６３および１６５を相関して、それらからエコー位相情報およびエコー振幅情報を抽出する、または、導出する。伝達チャープのサルド（ｓａｌｄ）バージョンが制御ＰＣ１４４によってライン１６８を介して各抽出器１６６／１６７に提供され、８００Ｈｚでシフトダウンされた伝達チャープを含む（すなわち、近傍のグラフ１６９に示されたように０〜８００Ｈｚチャープに変換される）。システムの所望のレンジの帯域選択するために、実際の伝達信号に対して選択ライン１６８の信号を遅延させることがまた、望ましくてもよい。
【００４６】
抽出回路１６６および１６７は、それぞれ２つの出力を有する。抽出器１６６の出力１７０および１７１は、マッチフィルタリング（フーリエ処理）後に入力１６３の累積位相および振幅をそれぞれ示す。東の累積位相が図８（ｉ）に示され、南の累積位相が図８（ｖ）に示され、東および南の大きさが図９（ｉ）の棒グラフで示される。抽出器１６７の出力１７２および１７３は、マッチフィルタリング後の入力１６５の累積位相および振幅をそれぞれ示し、西の累積位相が図８（ｉｉ）に示され、北の累積位相が図８（ｉｖ）に示され、西および北の大きさが図９（ｉ）の棒グラフに示される。累積位相出力１７０および１７２は、コモン位相ノイズ、直接信号およびグラウンドクラッターによるゼロ−ドップラー成分、風速、風向きならびにウインドシャーがどこから導かれ得るのかという情報を含む。累積位相出力１７０および１７２は、ライン１７６のコモン成分および出力を、図８のグラフ（ｉｉｉ）の全Ｅ−Ｗフェーズまたは累積位相として取り除くために、回路１７４で差分される。これらの出力は、Ｅ−Ｗ速度およびウインドシャーが導出される情報を含む。
【００４７】
既に注記したように、図５の回路および処理は、理想的な様態で北信号および南信号に適用され、図８（ｉｖ）によってグラフで示された累積北位相、図８（ｖ）によって示された累積南位相、ならびに、図８（ｖｉ）によって示された高さを有する全南北位相変量を導出する。簡単のため、回路から出力された東西位相差は、１７６Ｅ−Ｗとして識別され、南北位相差が１７６Ｎ−Ｓとして識別される。
【００４８】
図５Ｂは、風速および風向（すなわち、風邪の速度）、ならびに、レンジ距離（この場合、高度）に関するウインドシャーの大きさを生成するために、選択された実施例でどのように出力１７６Ｅ−Ｗおよび１７６Ｎ−Ｓが処理されるかを示す。出力１７６Ｅ−Ｗおよび１７６Ｎ−Ｓは、合成回路１８０に与えられる。図９（ｉｉ）に示されるように合成回路１８０から風向または方向が導出される。これは、風向きをコンパスの正しい象現に置くために、Ｅ−Ｗ信号が正または負であるかどうか、および、Ｎ−Ｓ信号が正または負であるかどうかを判定することによってなされる。従って、正のＥ−Ｗ位相および正のＮ−Ｓ位相は、風向が第１の象現にある、等を示す。第１の象現の角度は、風向をより正確に示す相対ベクトルを計算することによって決定され得る。
【００４９】
２乗和の平方根を取る周知のアルゴリズムを用いることによって、位相信号の大きさは、風速およびウインドシャーの大きさを出力するように決定され得る。これは、出力１７６Ｅ−Ｗおよび１７６Ｎ−Ｓを、各二乗回路１８２および１８４に与えて、加算器１８６のこれらの回路の出力を合計し、回路１８８の平方根を導出することによってなされる。ライン１９０から得られた出力は、高度に対する風速の変動を示す。これは、図９（ｉｉｉ）によって示される。
【００５０】
差分回路１９２を用いてライン１９０の信号の微分を行うことによって、高度を伴うウインドシャーの大きさがライン１９４で出力される。図９（ｉｖ）は、これを示す。ライン１９４の信号は、一連の出力１９８〜２０２等を生成する差分回路１９６を用いて様々な大きさのビン（ｂｉｎ）にウインドシャーを割り当てるようにさらに処理され得る。これは、図９（ｖ）のグラフで示される。
【００５１】
図５Ｃでは、各抽出器の基本動作が示されている。抽出器が実質的に同一であるので、東の受信器用の抽出器１６６のみが示される。また、マッチフィルタおよび本明細書で採用された位相および振幅抽出技術がレーダー技術の当業者に公知であることが認識されている。好ましくは、以前にも記載されているが、各抽出器は、１つの受信器に専用の別のＰＣに実装されている。
【００５２】
抽出器１６６は、基本的にマッチフィルタ２１０を含む。このマッチフィルタ２１０は、フーリエまたは周波数領域で、参照チャープ（通常、伝達チャープのバージョン）を入力信号１６３に含まれる錯乱（ｃｏｎｆｕｓｅｄ）時間領域エコーにマッチングするＥ入力１６３の各デジタルサンプルは、複素数形式に変換される。虚数部（Ｉ）は、乗算器３０２を用いて制御ＰＣ１４４によって供給されたデジタル２０００Ｈｚサイン信号３００を入力と混ぜることによって生成される。実数部（Ｑ）は、乗算器３０６を用いて（ＰＣ１４４によっても供給される）デジタル２０００コサイン信号３０４を入力と混ぜることによって生成される。リスニング期間に取られた各サンプルに対して生じたＩおよびＱ信号は、複素ＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理３０８に与えられる。ここで、全てのサンプルが提示され、アレイとして処理され、周波数領域の出力Ｉ’およびＱ’を生成する。これらの出力は、３１０でローパスフィルタリングされ、上部の帯域を取り除く。図７Ａおよび図７Ｂは、フィルタリングされていない信号成分Ｑ’およびフィルタリングされた信号成分Ｑ’’をそれぞれ示す。フィルタリングされた信号Ｉ’’およびＱ’’は、その後、複素乗算器３１２に渡される。この複素乗算器３１２では、信号は、制御ＰＣ１４４からのダウン変換された出力信号１６８で乗算される。この乗算の結果は、その後、３１４で複素逆ＦＦＴされて、時間領域の実数および虚数サンプル状（ｓａｍｐｌｅ−ｌｉｋｅ）出力Ｉ’’’およびＱ’’’を生成する。
【００５３】
ＩＦＦＴ３１４からの各「サンプル」出力Ｉ’’およびＱ’’は、その後、対応する位相および振幅出力１７０および１７１を提供するように処理される。位相出力１７０は、プロセス３１６で関数Ａｔａｎ２（Ｉ’’／Ｑ’’）を実行することによって生成され、ライン３１８で−π〜＋πの連続位相値をもたらす。その連続位相値は、アンラッププロセス３２０への入力である。アンラッププロセスは、公知であり、インプリメンテーションは、Ｍａｔｌａｂ等のプログラムで利用可能である。基本的には、プロセス３１６は、２π位相シフトの数を数えて、累積位相を生成する。−π〜＋πの遷移（位相は増加する）に対して、位相アキュームレータは、１だけ増加され、そして、逆もまた成り立つ。この出力は、その後、（時間および距離の代わりに）サンプル数に関するラジアンのカウントとして表示され得、図８で表示される。振幅出力１７１は、プロセス３２２で関数（Ｉ２＋Ｑ２）１／２をインプリメントすることによって生成される。図９の棒グラフ（ｉ）は、高さと共に振幅の変動を示す。各振幅読み出しは、大きさを示すように色分けされている。所与の高さでの処理信号振幅の鋭い変動部は、湿度または温度の変化を示し、ウインドシャーを示しているのではないことは、認識されている。しかし、大気の大きな温度差は、風の変化によってなされる。
（気温の測定）
上述の例のシステムを用いて、レンジ距離での気温の変動は、正および負のチャープの利用によって推定され得、発生した累積位相出力を操作し得る。このことは、本出願の第２の詳細な例を含む。
【００５４】
不可欠なものではないが、実質的に同一の正および負の線形チャープの利用は、温度の測定のための手段において高く望まれる。上述の例と一致して、３７秒間、８００Ｈｚから１６００Ｈｚまで周波数が増大する正チャープと１６００Ｈｚから８００Ｈｚまで落ちる負のチャープが周波数が想定される。正チャープが第１に発信され、４３秒のリスニングタイムが経過した後、負チャープがすぐに発信され、負チャープが伝達された後に４３ｓのリスニングタイムがあることがさらに想定される。この場合、正チャープおよび負チャープのための４つの受信器（Ｎ、Ｓ、Ｅ、およびＷ）のそれぞれからの音響信号を個々にデジタル化し、それぞれの累積位相信号を抽出するように上記の様態でそれぞれ処理することに好都合である。
【００５５】
累積位相信号が操作される様態は、ここで、図１０を参照して記載され、図１０では、正チャープのＮ、Ｓ、Ｅ、およびＷの累積位相信号は、入力３００として示され、負チャープのＮ、Ｓ、Ｅ、およびＷの累積位相信号は、入力３０２として示される。入力３００は、加算器３０４において足されて４で割られ、正チャープの水平軸（クロスレンジ）のウィンド成分を取り除き、入力３０２は、加算器３０６において足されて４で割られ、負チャープの水平軸（クロスレンジ）のウィンド成分を取り除く。温度測定の４つの受信器の利用は、同じシステムが同様にうまく水平軸のウィンド測定のために利用され得ることと同様に好都合である。温度測定はまた、垂直にポイントされる単一の受信器を用いることによってなされ得るが、このようなシステムは、水平軸のウィンド測定に利用され得ない。従って、加算器３０４および３０６の出力は、プロセス３０８において差分され、温度に関連した累積位相差を残したままで、直接的な信号、垂直ウィンド、グラウンドクラックおよびノイズの共通の成分を取り除く。従って、この差分信号の勾配は、プロセス３１０において生じ、プロセス３１２において正規化され、このプロセスの出力は、高さ（範囲）を有する温度に関連するある一定の変化である。これを較正するために、グラウンドレベル近くの実際の温度は、３１４における入力であり、高さを有する温度変化のチャート（３１６において示される）が生成され得る。第２の例によって生成される実際のチャートは、図面と共に添付される。
【００５６】
この例のシステムにおける温度測定の物理的なベースは、冷気の層を通過する正チャープの距離に関して全位相前進速度が、負チャープのものよりもわずかに小さく、その差は温度に依存することである。全位相前進速度は、空気における音の伝播による主要成分（通常、１ｋｍの距離に対して半径１４５００π）とチャープ内の内部位相前進速度によるマイナー成分（正チャープでは＋８００×２π／４３または１８半径／秒および負チャープでは−８００×２π／４３または１８半径／秒）との合計から構成される。正チャープの場合、内部速度は、正であり、伝播速度に追加される。負チャープでは、内部速度は、負であり、伝播速度から引かれる。従って、距離に関する累積位相の増加速度は、正チャープよりも負チャープの方がわずかに小さい。しかし、固定された距離の冷たい層が衝突するとき、正チャープの伝播速度は、わずかに減速され、それにより、チャープは、内部位相前進が、それが暖気が同じ距離を伝わる場合よりも比例的に大きくなる距離を伝わるためにより長くなる。そして、増加した内部位相前進が正であるので、それは、（いまより遅い）伝播位相前進にわずかに加わる。冷たい層が、さらに、負チャープの伝播（位相速度）を遅くし、内部（負）位相前進が、結果としてさらに、増加される一方、余分な増加は、負チャープがより遅く位相前進するために、それほど大きくはなく、ゆえに、結果として位相変化のより小さい全累積速度を生じ、時間／距離に関する位相変化の速度のダイバージェンスを生じる。このことは、図１１の図面に示される。
（ダウンレンジのウィンド速度の測定）
本明細書中に記載される原理に従ってダウンレンジのウィンドを推定する（この場合速度）２つの方法がある。第１（第３の例を含む）は、発信後に聴くモードにおいて中心受信器１１６を用いることである。第２（第４の例を含む）は、発信しながら聴くモードにおいて４つのＮ、Ｓ、Ｅ、およびＷの受信器を用いることである。両方の場合において、長いチャープ（３００ｍｓより大きい）は、本明細書中で教示されるように利用され、第１に、低高度領域のある程度の犠牲があり、第２に、精度のある程度の犠牲がある。
【００５７】
第３の例において、約０．５秒の短いチャープは、拡声器１１０によって送られ、すぐその後で、マイクロフォン１１６への入来信号が位相および上述される振幅抽出プロセスによって処理され、対応する累積位相および振幅出力を生成し、それから垂直ウィンド速度変化が読み出されるか、または推論され得る。この方法は、領域の第１の８５ｍを失い、ノイズおよびクロスレンジのウィンド速度により誤差を引き起こすが、長いチャープによって提供されるより大きい解像度が得られる。
【００５８】
第４の例において、全ての受信器はリスニングしている間に、約５秒のチャープが利用され得、各受信器の音響出力はその後に処理され、それぞれの位相および振幅は上述されるように抽出される。図１３を参照すると、Ｎ、Ｓ、Ｅ、およびＷ受信器の累積位相は、３２０で示され、加算器３２２に供給される。そこで、それらは、温度測定の場合において、共に足されて、４で割られ、クロスレンジのウィンドによる共通のエレメントを取り除く。システム依存位相シフト３２３は、次に、プロセス３２４において取り除かれ、それは一定の勾配を有するので、簡単に取り除かれる。プロセス３２４の出力は、ダウンレンジのウィンド速度の変化で示されるが、（比較的短い）直接信号およびグランドクラッターによって分解される。これらの望まない信号成分は、起点（ゼロ距離および時間）での比較的大きい位相信号において著しい。それは、グラウンドレベルにおけるウィンド速度がゼロであることを想定することに適切であるので、初期または残りの位相は、プロセス３２６において累積位相から引かれ、プロセス３２８において正規化され得、３３０において示される表示を生じる。あるいは、結果として生じる位相は、例えば、ラジオゾンデといった他の手段によって得られる所与の高度における公知のウィンド速度に従ってスケーリングされ、較正され得る。
【００５９】
（渦近傍通路の検出）
第４および最後の例において、受信器および発信器のアレイ４００（例えば、図１（ｈ）または（ｉ）に示される）は、エアポート通路の終端にグライドパスを越えて配置される。図１４は、単一の中央発信器４０２および各サイドのロウにおいて伸張する複数の受信器４０４を有する図１（ｈ）において示されるタイプのアレイの使用を示す。全体のアレイは、１５０〜２００ｍを測り得る。図１４において、発信器４０２は、球状に伝播した音響チャープ４０６が生じることが示され、通った跡の渦が４０８で示され、各渦の回転方向を示す矢印４１０が示される。渦とのチャープ４０６のインタラクションは、結果としてエコー４１２の後方散乱を生じる。これは、受信器４０４によって捉えられ、第１の例に記載される様態と同様の様態でそれぞれの一致したフィルタに供給される。複数の受信器が、本明細書中で用いられ、より良好な水平軸解像度を提供し、全体的に受信器の利得を増大する。
【００６０】
しかし、この場合の困難性は、渦から戻った高ドップラーエコーが、結局考慮すべきあいまい性を生じて、渦の位置、サイズおよび速度は、単に第１の例のシステムを用いることによって十分な精度で測定され得る。大きな面の到達より以前に周囲条件の測定を得ること、および、条件の測定を用いて、面が通過した後に、渦の存在と共に得られる条件を調節し、成形することが必要である。周囲の測定は、システムの振幅および位相ならびに周囲の振幅および位相の基準（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）を提供する。この結果は保存される。
【００６１】
渦からのエコーが処理される場合、リターン信号が制御ＰＣによって生成される対応する一連の基準チャープを用いる内部の複数の異なる一致したフィルタに対する複数の異なるドップラーシフト（正、ゼロ、および負）に対して相関されることを除いて、信号処理は、第１の例に記載されるように各受信器に対して進む。次に、各受信器の渦状態に関して計算される各位相は、各それぞれの受信器の周囲条件の対応する計算される位相との差があり、システムおよびノイズ位相シフトを取り除く。このことは、図１５に示される対応するドップラーシフトと共に距離（時間）に関してプロットされ得る残りの、または「過剰な」位相を残す。
【００６２】
次に、ドップラー対距離（高さ）を推定するために、過剰位相がゼロである距離範囲を見出すための各ドップラーシフトの結果の各過剰位相記録を経て検索することが必要である。ゼロ過剰位相がドップラーシフト対距離のグラフが見出されるための領域を重ね合わせることによってなされ得る。このことから、ウィンドの速度対距離を推定することは、簡単なことである。単に、超過位相がさらなるドップラー処理なしで用いられ得ないことは、注意されるべきである。なぜなら、領域のあいまい性効果は、渦の位置およびサイズが十分に位置付けられ得ない範囲外に超過位相の結果を広げるからである。
【００６３】
ブラッドリー（上述される）は、振幅の最適化のための類似の推定プロセスを論じ、基準がその論文になされるべきである。しかし、位相を用いることは、振幅よりもより精度および安定性があり、それによりドップラーの良好な推定が得られることが可能になる。
【００６４】
本発明の出願のいくつかの例が記載されてきた一方で、本発明の方法が音響計測に広く適用され得ること、および多くの代替かつ追加が上掲の特許請求の範囲によって定義されるように本発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１は、発信器および受信器の選択された配列を示す一連の図式的平面図であり、発信器（拡声器）は、斜線の小さい円であり受信器（マイクロホン）は、陰影のない円として示される。
【図２】図２は、同じ場所に配置され、かつ別々に配置された発信器および受信器の配列を示す一連の図式的正面図である。
【図３】図３は、第１のシステムの実施例において、受信器および発信器の配置を示す図式的な断面図である。
【図４】図４は、発信器への信号が生成され、受信器からの信号が処理される一般的な様態を示す図３のシステムの基本設計を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、選択されたシステムの実施例の東西マイクロホンによって受信されたエコーからの東西位相情報を抽出システムを示すブロック図であり、高さに対する風速、風向およびウィンドシャーが第１の実施例のシステムで生成され得る回路およびプロセスの各部を示すブロック図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、選択されたシステムの実施例の東西マイクロホンによって受信されたエコーからの東西位相情報を抽出システムを示すブロック図であり、高さに対する風速、風向およびウィンドシャーが第１の実施例のシステムで生成され得る回路およびプロセスの各部を示すブロック図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、選択されたシステムの実施例の東西マイクロホンによって受信されたエコーからの東西位相情報を抽出システムを示すブロック図であり、高さに対する風速、風向およびウィンドシャーが第１の実施例のシステムで生成され得る回路およびプロセスの各部を示すブロック図である。
【図６】図６は、第１の実施例のシステムの受信器によって検出された通常のデジタル化音響信号を図示するヒストグラムである。
【図７Ａ】図７Ａは、第１の実施例のシステムにおいて、照合フィルタのローパスフィルタの前後における通常信号のグラフである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、第１の実施例のシステムにおいて、照合フィルタのローパスフィルタの前後における通常信号のグラフである。
【図８】図８は、第１の実施例のシステムにおいて、全受信器から導出された累積位相情報を図示する一連のグラフである。
【図９】図９は、第１の実施例のシステムから出力された大気の風の特性を示す棒グラフおよびグラフを含む。
【図１０】図１０は、高さに関する温度が導出されるプロセスの一部を示すブロック図である。
【図１１】図１１は、正および負のチャープの位相信号がどのように差分されて、レンジ距離に対して温度を指示するかを示す表示である。
【図１２】図１２は、開示されたシステムを用いることによって、生成されたレンジ距離に関する温度プロットである。
【図１３】図１３は、高さに対する垂直方向の風速が導出される、プロセスの一部を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、滑走路近傍において、大きな飛行機が残した伴流渦の検出を示す図である。
【図１５】図１５は、レンジ距離に関する過剰位相の概念のバリエーションを示すグラフであり、この関係は、アウェイク（ａｗａｋｅ）渦の風速および高さを計算するように用いられる。
Claims (44)
- 音響発信器および受信手段から離れて広がるレンジにわたって、大気を音響的に観測する方法であって、該方法は、
少なくとも３００ｍｓダウンレンジの持続時間を有する音響チャープ（明細書中で理解される）を発信するステップと、
音響入力を検出し、かつ、該入力信号を表す受信器出力を生成するために、該受信器を用いるステップと、
該レンジの大気の特性を示す信号位相データを生成するために、該受信器出力を処理するステップと
を包含する、方法。 - 音響チャープ（明細書中で理解される）ダウンレンジを発信するステップと、
該チャープがなお発信されている間に、該チャープによって戻されるエコーを含む音響入力を検出するために前記受信器を用いるステップと、
該入力信号を表す受信器出力を生成するステップと、
該レンジの大気の特性を示す信号位相データを生成するために、該受信器出力を処理するステップと
を包含する、請求項１に記載の方法。 - 前記チャープから第１の方向に戻されるエコーを含む第１の音響入力を検出して、該第１の入力と関連した第１の受信器出力を生成するために、前記受信手段を用いるステップと、
該チャープから第２の方向に戻されるエコーを含む第２の音響入力を検出して、該第２の入力と関連した第２の受信器出力を生成するために、該受信手段を用いるステップと、
フーリエおよび／または照合フィルタ技術を用いて、該第１の受信器出力からの位相関連成分を含む第１の位相信号を生成するステップと、
フーリエおよび／または照合フィルタ技術を用いて、該第２の受信器出力からの位相関連成分を含む第２の位相信号を生成するステップと
レンジの大気の特性と関連するデータを生成するために、該第１および第２の位相信号の操作と
を包含する、請求項１または２に記載の方法。 - 前記操作は、
ダウンレンジの大気の移動を示す前記第１および第２の位相信号の共通の成分を強調する第１の追加的位相信号を生成し、かつ、クロスレンジの大気の移動を示す該位相信号の成分を低減するために、該第１および第２の位相信号を追加するステップを包含する、請求項３に記載の方法。 - 前記操作は、
前記第１の追加的位相信号から、システム位相ノイズを示す基準位相信号を取り去るステップを包含する、請求項４に記載の方法。 - 前記第１の音響入力は、実質的にエコー成分を含まない前記発信手段から直接受信された第１のダイレクトチャープ信号を含み、
前記第２の音響入力は、実質的にエコー成分を含まない該発信器から直接受信された第２のダイレクトチャープ信号を含み、
前記操作は、該第１および第２のダイレクトチャープ信号を実質的に有さない位相出力信号を生成するために、該第１および第２の位相信号を取り去るステップを包含する、請求項３に記載の方法。 - 前記操作は、
位相信号成分を除去するステップは、
前記第１および第２の位相信号に共通であり、かつ、特に、前記第１および第２の音響信号に共通であるシステムノイズおよび音響ノイズが原因である位相信号成分を除去するステップを包含する、請求項３に記載の方法。 - 前記第１および前記第２の方向は、実質的に互いに等しく、かつ逆に傾斜し、クロスレンジに広がる第１の平面に実質的に落下し、
前記第１および第２の位相信号を操作するステップは、該第１の平面内、または該第１の平面と平行のクロスレンジの大気の運動を示すデータを生成する、請求項３〜７のいずれか１つに記載の方法。 - 前記発信されたチャープから第３の方向に戻されたエコーを含む第３の音響入力を検出して、該第３の入力と関連した該第３の受信器出力を生成するために、前記受信手段を用いるステップと、
該チャープから第４の方向に戻されたエコーを含む第４の音響入力を検出して、該第４の入力と関連した第４の受信器出力を生成するために、該受信手段を用いるステップと、
フーリエおよび／または照合フィルタ技術を用いて、該第３の受信器出力からの位相関連成分を含む第３の位相信号を生成するステップと、
フーリエ技術を用いて、該第４の受信器出力からの位相関連成分を含む第４の位相信号を生成するステップと、
前記レンジの大気の特性に関するデータを生成するために、該第３および該第４の位相信号の操作と
を包含する、請求項３〜８のいずれか１つに記載の方法。 - 前記第３および第４の方向は、実質的に互いに等しく、かつ逆に傾斜し、かつ、クロスレンジに広がる実質的に第２の平面に落下し、
前記第３および第４の位相信号の操作は、該第２の平面におけるクロスレンジの大気の移動を示すデータを生成し、
前記第３および第４の位相信号の操作は、該第２の平面内、または該第２の平面と平行のクロスレンジの大気の移動を示すデータを生成する、請求項９に記載の方法。 - 前記第１の平面および前記第２の平面は、実質的に互いに直交し、前記操作は、
前記第１および第２の位相信号に共通の位相信号を除去し、かつ、該第１の平面に内、または該第１の平面と平行の大気の移動を示す第１の差動位相を生成するために、該第１および第２の位相信号を差分するステップと、
前記第３および第４の位相信号に共通の位相信号を除去し、かつ、前記第２の平面内、または該第２の平面と平行の空気の移動を示す第２の差動位相成分を生成するために、該第３および第４の位相信号を差分するステップと
を包含する、請求項１０に記載の方法。 - 前記操作は、ダウンレンジ方向に対するクロスレンジウィンドの方位を示す位相信号および／またはクロスレンジウィンドシャーを示す位相信号を生成するために、前記第１の差動位相信号と前記第２の差動位相信号とを組み合わせるステップを包含する、請求項１１に記載の方法。
- 前記レンジは、該レンジのベースにおいてか、または該ベースの近傍に配置される前記発信手段および前記受信手段から実質的に垂直に広がり、
前記第１の平面および前記第２の平面は、実質的に垂直であり、
該第１の平面は、南北の配向でクロスレンジに広がり、
該第２の平面は、東西の配向でクロスレンジに広がり、
前記第１、第２、第３および第４の位相信号の操作は、クロスレンジの大気の移動のコンパス方位およびコンパス速度の変動を示すデータを生成する、請求項１１または１２に記載の方法。 - 前記操作は、
ダウンレンジの大気の移動を示す前記第１、第２、第３および第４の位相信号に共通の成分を強調する第２の第１の追加的位相信号を生成し、かつ、クロスレンジの大気の移動を示す該位相信号の成分を低減するために、該第１、第２、第３および第４の位相信号を追加するステップを包含する、請求項９〜１３のいずれか１つに記載の方法。 - 前記操作は、
前記第２の追加的位相信号からシステム位相ノイズを示す基準位相信号を取り去るステップを包含する、請求項１４に記載の方法。 - 前記チャープは、増加または減少する位相または周波数を有する正または負の線形音響信号であるか、あるいは、該正および負の線形チャープの両方が用いられる、請求項１〜１５のいずれか１つに記載の方法。
- 正および負のチャープを順々に発信するステップと、
前記受信器出力の正および負のバージョンをそれぞれ導出するステップと、
対応する正および負の信号位相データを生成するために、該正および負の受信器出力を処理するステップと、
レンジ距離に関する大気温度の変動を示す第３の差動データを生成するために、該正および負の信号位相データを差分するステップと
を包含する、請求項１６に記載の方法。 - 前記同じ音響トーンを用いない正および負のチャープを同時に発信するステップと、
前記受信器出力の正および負のバージョンをそれぞれ導出するステップと、
対応する正および負の信号位相データを生成するために、該正および負の受信器出力を処理するステップと、
レンジ距離に関する大気温度の変動を示す第４の差動データを生成するために、該正および負の信号データを差分するステップと
を包含する、請求項１６に記載の方法。 - レンジ距離に関する大気の温度の変動を示す勾配信号を導出するために、レンジ距離に関する前記第３または第４の差動位相信号を（それぞれ）微分するステップを包含する、請求項１７または１８に記載の方法。
- ある位置において大気の外乱が不在の状態において、請求される態様で周囲信号位相データを生成するステップと、
該位置において局所的に大気の外乱が存在する状態において、外乱信号位相を生成するステップと、
該外乱信号位相データを正規化して、これにより、正規化された信号位相データを生成するために、該周囲信号位相データを用いるステップと
を包含する、請求項１〜１９のいずれか１つに記載の方法。 - 距離に関する風速を示すデータを生成するために、前記正規化された位相データの連続的サンプルを複数のドップラー値に対して相関させるステップを包含する、請求項２０に記載の方法。
- 信号振幅データが生成され、かつ、該信号位相データと共に用いられる、請求項１〜２１のいずれか１つに記載の方法。
- 前記チャープの持続時間は、５秒よりも長く、好適には、約数十秒である、請求項１〜２２のいずれか１つに記載の方法。
- 音響発信器および受信手段から離れて広がるレンジにわたって、大気を音響的に観測するシステムであって、該システムは、
該発信器から離れて広がる少なくとも３００ｍｓダウンレンジの持続時間を有する音響チャープ（ここで理解される）を発信するように適合された発信手段と、
該発信手段の近傍に配置され、かつ、ダウンレンジから戻された該発信され、かつ該受信された音響信号を表す受信器出力を生成するように適合された該発信されたチャープのエコーを含む音響信号を検出するように適合された受信手段と、
該レンジの大気の特性を示す信号位相データを生成するために、該受信器出力を処理するデジタル信号処理手段と
を備える、システム。 - 前記受信手段は、前記発信手段が発信中に、該発信手段からの直接的な非エコー信号を検出するように適合され、該直接的信号は、該受信器出力に影響を及ぼす、請求項２４に記載のシステム。
- 前記受信手段は、前記チャープから第１の方向に戻されたエコーを含む第１の音響入力を検出し、かつ、前記第１の入力と関連した第１の受信器出力を生成するように適合され、
該受信手段は、該チャープから第２の方向に戻されたエコーを含む第２の音響入力を検出し、かつ、該第２の入力と関連した第２の受信器出力を生成するように適合され、
該信号処理手段は、
該第１および第２の受信出力を受信し、
照合フィルタおよび／またはフーリエ処理手段を用いて該出力を処理し、
第１および第２の位相信号をそれぞれ生成し、
レンジの大気の特性に関するデータを生成するために、該第１および第２の位相信号を操作するように適合される、請求項２４または２５に記載のシステム。 - 信号プロセッサは、前記第１および第２の位相信号を操作する場合、
ダウンレンジの大気の移動を示す該第１および該第２の位相信号に共通の成分を強調する第１の追加的位相信号を生成するため、および、クロスレンジの大気の移動を示す該位相信号の成分を低減するために、該第１および第２の位相信号を追加するように適合される、請求項２６に記載のシステム。 - 前記信号プロセッサは、前記第１および第２の位相信号を操作する場合、
システム位相ノイズを示す基準位相信号を前記第１の追加的位相信号から取り去るように適合される、請求項２７に記載のシステム。 - 前記信号プロセッサは、前記第１および第２の信号を操作する場合、
ダイレクトチャープ信号成分を実質的に有しない位相出力信号を生成するために、該第１および第２の位相信号を取り去るように適合される、請求項２６に記載のシステム。 - 前記信号プロセッサは、前記第１および第２の位相信号を操作する場合、
該第１および第２の位相信号に共通であり、かつ、特に、前記第１および第２の音響信号に共通であるシステムノイズおよび音響ノイズが原因の位相信号成分を除去するように適合される、請求項２６に記載のシステム。 - 前記第１および第２の方向は、実質的に、互いに等しく、かつ逆に傾斜し、かつ、クロスレンジに広がる実質的に第１の平面にあり、
前記信号プロセッサは、前記第１および第２の位相信号を操作する場合、該第１の平面内、または該第１の平面と平行のクロスレンジの大気の移動を示すデータを生成するように適合される、請求項２６〜３０のいずれか１つに記載のシステム。 - 前記受信手段は、前記発信されたチャープから第３の方向に戻されたエコーを含む第３の音響入力を検出し、該第３の入力と関連した第３の受信器出力を生成するように適合され、
該受信手段は、該チャープから第４の方向に戻されたエコーを含む第４の音響入力を検出し、該第４の入力と関連した第４の受信器出力を生成するように適合され、
前記信号プロセッサ手段は、該第３の受信器出力からの位相関連の成分を含む第３の位相信号を生成するために、フーリエおよび／または照合フィルタ技術を用いるように適合され、
該信号プロセッサ手段は、該第４の受信器出力からの位相関連の成分を含む第４の位相信号を生成するために、フーリエおよび／または照合フィルタ技術を用いるように適合され、
該信号プロセッサ手段は、該第３および第４の位相信号を操作して、レンジの大気の特性に関するデータを生成するように適合される、
請求項２６〜３１のいずれか１つに記載のシステム。 - 前記第３および第４の方向は、実質的に、互いに等しく、かつ逆に傾斜し、クロスレンジに広がる実質的に第２の平面にあり、
前記第３および第４の位相信号の前記操作は、該第２の平面におけるクロスレンジの大気の移動を示すデータを生成するように適合され、
前記信号プロセッサ手段は、該第２の平面内、または該第２の平面と平行のクロスレンジの大気の移動を示すデータを生成するために、該第３および第４の位相信号を操作するように適合される、請求項３２に記載のシステム。 - 前記第１の平面および前記第２の平面は、実質的に、互いに直交し、
前記信号プロセッサ手段は、
前記第１および第２の位相信号に共通の位相信号を除去するため、および、該第１の平面内、または該第１の平面と平行の大気の移動を示す第１の差動位相成分を生成するために、該第１および第２の位相信号を差分し、
前記第３および第４の位相信号に共通の位相信号を除去するため、および、該第３の平面内、または該第３の平面と平行の大気の移動を示す第３の差動位相成分を生成するために、該第３および第４の位相信号を差分するように適合される、請求項３３に記載のシステム。 - 前記信号プロセッサは、ダウンレンジ方向に対するクロスレンジウィンドの方位を示す位相信号および／またはクロスレンジウィンドシャーを示す位相信号を生成するために、前記第１の差動位相信号と前記第２の差動位相信号を組み合わせるように適合される、請求項３４に記載のシステム。
- 前記レンジは、前記レンジのベースにおいて、または該ベースの近傍に配置されるように適合された前記発信手段および前記受信手段から実質的に垂直に広がり、
前記第１および第２の平面は、実質的に垂直であり、
前記第１の平面は、南北の方位でクロスレンジに広がり、
前記第２の平面は、東西の方位でクロスレンジに広がり、
該信号プロセッサ手段は、クロスレンジの大気の移動の前記コンパス方位および速度の変動を示すデータを生成するために、該第１、第２、第３、および第４の位相信号を操作するように適合される、請求項３４または３５に記載のシステム。 - 前記信号プロセッサは、ダウンレンジの大気の移動を示す前記第１、第２、第３および第４の位相信号に共通の成分を強調する第２の第１の追加的位相信号を生成し、かつ、クロスレンジの大気の移動を示す該位相成分を低減するために、該第１、第２、第３および第４の位相信号を追加するように適合される、請求項３３〜３６のいずれか１つに記載のシステム。
- 前記信号プロセッサ手段は、前記第２の追加的位相信号からシステム位相ノイズを示す基準位相信号を取り去るように適合される、請求項３６に記載のシステム。
- 前記発信手段は、増加または減少する位相または周波数を有する正または負の線形音響信号を含むチャープを発信するように適合されるか、あるいは、該正および負の線形チャープの両方が用いられる、請求項２４〜３８のいずれか１つに記載のシステム。
- 前記発信器は、正および負のチャープを順々に発信するように適合され、
前記受信手段は、該正および負のチャープおよびエコーを含む音響入力信号から該受信器出力の正および負のバージョンをそれぞれ生成するように適合され、
該信号処理手段は、
対応する正および負の信号位相データを生成するために、該正および負の受信器出力を処理し、
レンジ距離に関する大気の温度の変動を示す第３の差動データを生成するために、該正および負の信号位相データを差分するように適合される、請求項３９に記載のシステム。 - 前記発信手段は、前記同じ音響トーンを用いない正および負のチャープを同時に発信するように適合され、
該受信手段は、正および負の受信器出力をそれぞれ生成するように適合され、
前記信号プロセッサ手段は、
対応する正および負の信号位相データを生成するために、該正および負の受信器出力を処理し、
レンジ距離に関する大気温度の変動を示す第４の差動データを生成するために、該正および負の信号位相データを差分するように適合される、請求項３９に記載のシステム。 - 前記信号プロセッサ手段は、レンジよりに関する大気温度の変動を示す勾配信号を導出するために、前記第３または第４の差動位相信号を（それぞれ）微分する、請求項４０または４１に記載のシステム。
- ある位置において大気の外乱がない状態で、周囲信号位相データを生成し、
該位置における該局所的大気の外乱が存在する状態で、外乱信号位相データを生成し、
該外乱信号位相データを正規化して、これにより、正規化された信号位相データを生成するために該周囲信号位相データを用いるように適合される、請求項２４〜４２のいずれか１つに記載のシステム。 - 前記信号プロセッサ手段は、距離に関する風速を示すデータを生成するために、前記正規化された位相データの連続的サンプルを複数のドップラー値と相関させるように適合される、請求項４３に記載のシステム。
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