专利名称：一种流体例如空气或水的三维速度和遥测方法
技术领域：
本发明涉及一种通过一组用作发射和接收装置的声换能器，遥测流体——例如空气或水——的三维速度的方法。
人们已经知道，一个按排按列编排的声换能器平面阵列，其方向都朝着垂直于该阵列面的共同方向，可以用来向各个不同方向发射声信号并接收由流体反向散射的信号。控制和操作该类型阵列的原理已经作过描述，尤其是在美国3 448 450号雷达专利申请，法国2 499 252号声纳专利申请，以及美国4 558 594号测定大气风速的“声达”或声“雷达”专利申请中。
在该类型的装置中，以已知的恒频朝一个确定的方向发射信号，然后在该方向接收反向散射的信号，其目的在于测定它们的频率并根据发射信号和接收信号的频率差(多普勒效应)测出该流体在上述确定方向上的速度，因此，相继在三个不同的方向发射并接收声信号，就可以，例如，测定大气中风的三维速度或海流中水的三维速度。
本发明的一个特别目的就是，通过提高测量精度，增大声达或声纳的最大范围，以及同时缩短整个信号截获时间的方法，极大地提高“声达”或具有一组声换能器阵列类型的声纳的性能。
为此目的，本发明提供一种遥测流体，如空气或水，的三维速度的方法，该方法包括通过一组换能器阵列，在至少三个不同的方向上发射确定频率的声信号；使同样的换能器接收被流体反向散射的声信号；根据发射信号和接收信号之间的频率变换测定流体在上述确定方向上的速度；该方法的特征在于在上述的一个方向D1发射一串具有确定持续时间和确定的不同频率的信号，然后在上述另一个方向D2，以下依此类推，直到在上述每个方向上都相继发射了该信号串，继之，在接收所有反向散射信号的同时，处理该接收信号，以便及时获得上述每个方向依次相接的频谱，并依此推出流体在上述每个方向、在不同的距离上的速度。
对于一个给定的范围，并且相应于这样一种情况，即如果首先在一个方向发射并接收信号，然后是另一个方向，以下类推，则整个反向散射信号接收持续时间可以通过一个等于发射方向数目的系数来缩短。当在三个以上方向，例如五个方向进行发射时，这一优点将变得特别明显。
此外，使用一组发射频率可以得到具有较小信噪比的特定的测量精度，例如，使用五个发射频率，信噪比将小于15至20分贝，还有增大最大检测范围的效果。
另外，首先在一个方向发射信号，然后是另一个方向，以下类推，可以使发射在每个方向都以满载功率进行。
在本发明的第一个实施例中，上述接收信号的处理主要包括放大信号，信号数字化，为获得每个发射方向的信号而将信号互相组合，以及对其进行快速傅里叶变换。
这种处理方法主要是数字式的并且可以在常规数据处理系统中以非常高的速度进行。
在本发明的另一个实施例中，上述信号处理主要包括放大信号，信号数字化，对其进行快速傅里叶变换，以及为获得相应于发射方向的信号而将信号互相组合。
在本发明的又一个实施例中，该信号处理主要包括放大信号，为获得相应于发射方向的摹拟信号而将信号互相组合，然后把通过这种方式获得的信号数字化，以及对其进行快速傅里叶变换。
本发明的方法还包括为了消除错误或偏差，确证以各种发射频率和对称发射方向上所获得的速度的一致性，从而有助于得到一定的具有较小信噪比的精度。
为了使该方法应用于短距离测量，本发明还可以对以不同频率发射的信号的顺序以及发射方向的顺序进行重排列。
在一个特别的实施例中，本发明可以在五个不同的方向以五种不同的频率相继发射信号串。
因在五个方向发射五种频率而产生的数据过剩有助于提高测量精度和增大最大检测范围。此外，用来控制声换能器平面阵列的方法，当发射是在包含垂直于该阵列面的五个不同的方向和另外四个与上述垂直线成对对称的方向上进行时，仍然非常简单。
本发明同样可用于检测大气中的风速(声达系统)和用于检测海水在不同深度的流速(声纳系统)。
通过以下结合例子和附图的描述，有助于更好地理解本发明并对其他特征、细节及其优点有更清楚地认识。这些附图是附
图1是用于实施本发明方法的一个声换能器平面阵列的示意图；附图2用图解的方法显示在本发明的方法中声信号如何发射和接收；和附图3是一个用于处理由声换能器所接收的反向散射信号的系统的方块示意图。
通过例子，附图1显示了一个按排按列组织的并且全部朝向垂直于附图平面的相同方向的声换能器平面阵列10。
这样的声换能器阵列同用于控制和操作它们的原理一样，已经属于公知技术。
简言之，为了在不同的方向相继发射，行的声换能器阵列10应馈给确定频率的、相位从一排声换能器变换到另一排，例如90度的信号，从而确定首次发射方向。继之，相同的行的声换能器阵列10应在相同频率，但相位在相对的方向从一排到另一排变换至90度馈给信号，从而在垂直于附图平面附近与首次发射方向相对称的方向进行发射，此后，列的声换能器阵列10应在相同频率，但相位从一列到另一列变换至90度馈给信号，以下类推，直到所有的声换能器阵列10都在相同的频率和相同的相位馈给信号，从而在垂直于附图平面的方向上得到发射。
因此，可以在五个不同的方向进行发射，其中的一个方向垂直于附图平面，而其他方向则成对的与首次发射方向相对称，并且包含在与首次发射方向相交的垂直平面当中。
以上技术对一个现有技术中的普通技术人员来说是已知的，前述的在先专利文献也给以了描述。
在类似的方式中，由声换能器阵列10接收的反向散射信号按照与发射信号相同的方式进行处理，而在相反的方式中，声换能器阵列10的信号输出在相位从一排到另一排或者从一列到另一列相对变换90度以后彼此组合，在组合或迭加的同时就可以获得与发射方向同样多的接收信号。
为了更好地理解本发明的主要特征，以下结合附图2进行说明。附图2用图解的方法显示了声信号以不同的频率、在不同的方向上的发射，以及，例如由大气反向散射的信号的接收。时间T沿横坐标标绘，高度Z沿纵坐标标绘。附图3对应于一种简化的情况，即信号以三种不同的频率F1，F2和F3，在三个不同的方向D1，D2和D3上相继发射。
本发明的方法包括在D1方向首先发射频率为F1的信号并持续预定的时间，其后，发射频率为F2的信号并持续相同的时间，然后，发射频率为F3的信号并持续相同的时间；此后还包括在D2方向发射频率为F1的信号并持续上述的时间，继之，发射频率为F2的信号并持续相同的时间，随后，在相同的持续时间里发射频率为F3的信号；最后包括在D3方向和上述持续时间内发射频率为F1的信号，然后发射频率为F2的信号并持续相同的时间，最后是信号F3并持续相同的时间。各信号的持续时间不必相等，可以任意。
信号以大约每秒300米(M/S)的速度穿过大气，一部分信号被大气反向散射。该反向散射信号由声换能器10予以接收，接收是在以所有确定频率、在全部确定方向上发射信号以后进行，并且是在从信号发射结束再经过一段时间之后才开始接收信号，上述较短的时间间隔相当于开关电路和限定最小测量高度Z0所需的时间。如果接收开始于时间T1，从附图2可见，在T1—T2间隔内，所接收到的信号是以频率F3在D3方向上发射的、由高度段Z0—Z2反向散射的信号，和以频率F2在D3方向上发射的、由高度段Z1—Z3反向散射的信号，以及以频率F1在D3方向上发射的、由高度段Z2—Z4反向散射的信号，等等，直到以频率F1在D1方向上发射的、由高度段Z8—Z10方向散射的信号。
还可以看到，对于高度段Z0—Z2，在T1—T2时间间隔内，所接收到的唯一信号是以频率F3在D3方向上发射的、由高度段Z0—Z2方向散射的信号，并且，对于上述高度段，既没有接收到以频率F1或F2在D3方向上发射的信号，也没有接收到在D1和D2方向发射的信号。
对于高度段Z1—Z3，其中心是Z2，在T1—T2时间间隔内，接收到的是以频率F2在D3方向上发射的信号，而在T2—T3时间间隔内，接收到的是以频率F3在D3方向上发射的信号。
对于中心在Z9的高度段Z8—Z10，可以接收到以频率F1，F2和F3在所有D1，D2和D3方向上发射的、由该高度段方向散射的全部信号。因此，从这一高度段往上，每经过一段更高的高度，就可以获得在三个不同的方向发射的三种不同的频率，从而产生在特定的海拔高度关于风速的九条信息。
当信号串是以五种不同的频率在五个不同的方向时，则从高度段Z24—Z26(中心在Z25，图中未标)开始，可以接收到在特定的海拔高度关于风速的25条信息。
本发明还可以变换(在固定或不固定的间隔)所发射的频率的顺序，以及所发射的不同方向的顺序。这样就可以得到低海拔高度的更多信息，例如，对于低于附图2所示高度段Z8—Z10的海拔高度，可以得到来自以频率F1，F2和F3，在D1，D2和D3方向上发射的信号的反向散射信号。
为了避免可能产生的不定性，例如，由多普勒效应所产生的频率变化以及因两个频率之间的间隔而引起的量值等序，可以在一系列测量之前或之后，通过断续地、以一种单一的频率在每一预先确定的方向上发射信号，确定多普勒效应频率变化的大概数值。所得到的结果可以用于修正多普勒效应对于风速的量序，从而提供有关可能产生的不定性危险的信息，并可进行适当的测量。为此目的，还可以以不同的、由相对大的、大于任何多普勒效应距离的距离所分割的频率发射信号。
以下结合附图3描述一种通过声换能器10处理信号输出的方法，该信号是由大气在不同高度、不同方向上反向散射的声信号的典型。
在附图1所示的声换能器10的阵列中，共包含52个声换能器，为便于控制声换能器阵列，按常规方式将声换能器组成16个小组。通过这些声换能器10小组接收由大气反向散射的信号并产生用于附图3所示处理系统的输出信号。
这个处理系统包含16条路径，每条路径分别接收来自各个声换能器10小组的输出信号S，该信号首先供给一个放大器12，其输出与模拟—数字转换装置14，例如，采样装置相连。
此后，该数字信号在16进行处理，实施快速傅里叶变换，从而得以使用该信号的频率。
变换的结果再由18通过组合信号的软件进行处理，正如上述，这种组合就是按照与以不同频率在不同方向发射信号相类似的方式，通过相位变换和迭加组合信号，从而获得对应于每一发射方向的输出频谱20。
在变异方式中，在12放大的信号，可以在对其在14进行数字化之前或之后以及在对其进行快速傅里叶变换之前，进行相互组合，以便提供对应于各种发射方向的信号。
当在每一发射方向相继发射三种不同的频率时，每一个频谱20都包含三个频率，其中的每个频率对应于在不同海拔高度上的高度段。
在一段时间之后由此相继获得的频率信号随后按照高度段和发射方向进行再组合。将这些频率与发射频率进行比较，就可以得到特定方向上，对于确定的高度段，空气速度的多普勒效应所引起的频率错位。
由此便可以获得空气速度在不同高度段的三维分量。
不管怎样，处理结束时应进行检查，以确定在不同频率下所获得的速度是否相互一致。这种比较包括对于共同的发射方向，在各种发射频率下所获得的速度，还包括对称于垂直方向的发射方向所获得的速度的水平分量。
以下是本发明赖以实施的三种装置的主要特征的具体例子。
第一个装置是一个声达，用于测量大约20米的最小高度和范围在约1公里至2公里的最大高度之间的大气速度。利用该装置，在五个不同的方向上相继发射不同频率的五种信号，每种信号的发射持续时间约为200毫秒，所发射的声音信号功率在2瓦至80瓦的范围内，发射频率中心在2100赫芝，彼此相差75赫芝。在所有五个方向发射所需的整个时间约为5秒，接收所需的整个时间长达10秒。处理来自声换能器的输出信号所需的时间约为10秒，并随装置的种类而变化。实践中，为了提供测量的中间值，发射—接收循环要重复几分钟以上。
第二个装置也是一个声达，用于测量大约60米的最小高度和范围在3公里至5公里的最大高度之间的空气速度。该装置在五个不同的方向以五种不同的频率相继发射五串信号，每串信号的发射要持续大约600毫秒，其功率在大约200瓦至300瓦的范围内，发射信号的频率中心在700赫芝，彼此相距约25赫芝。在所有五个方向整个发射的持续时间约为15秒，整个接收的持续时间约为30秒。
第三个装置是一个声纳，用于测量深度范围在约20米至1公里到2公里内的水的速度。该装置在五个不同的方向以五种不同的频率相继发射五串信号，每串信号的发射要持续大约40毫秒，其功率在几瓦到几百瓦的范围内，发射频率的中心在40千赫，彼此相隔约500赫芝。
权利要求
1.一种遥测流体，如空气或水的三维速度的方法，该方法包括在至少三个方向上，通过一个声换能器(10)阵列，发射确定频率的声信号；使用相同的声换能器接收由流体反向散射的声信号；根据发射信号和接收信号之间的频率差确定流体在上述指定方向上的速度；该方法的特征在于在上述的一个方向D1发射一串具有确定持续时间和确定的不同频率的信号，然后是上述另一个方向D2，以下类推，直到在上述每一个方向都相继发射了该信号串，然后再接收所有反向散射的信号，同时对接收信号进行处理以得到，对于上述每个方向而言，在时间上彼此相随的频谱(20)，由此测定流体在上述每个方向、不同距离上的速度。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，接收信号的处理主要包括信号放大、信号数字化、相互组合以获得对应于发射方向的信号，以及对其进行快速傅里叶变换。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，接收信号的处理主要包括信号放大、信号数字化、对其进行快速傅里叶变换，以及相互组合以获得对应于发射方向的信号。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，接收信号的处理主要包括信号放大、相互组合以获得对应于发射方向的模拟信号，然后将以这种方法获得的信号数字化并对其进行快速傅里叶变换。
5.根据权利要求1至4的任何一个的方法，其特征在于，对于测量短距离的速度，它包括变换不同频率下信号发射的顺序和发射方向的顺序。
6.根据前述任何权利要求的方法，其特征在于，对于特定的发射方向以及对称于垂直方向的发射方向，确证不同频率下所获得的速度的一致性。
7.根据前述任何权利要求的方法，其特征在于，所发射的不同频率的数目不小于3。
8.根据前述任何权利要求的方法，其特征在于，在五个不同的方向上以五种不同的频率相继发射信号串。
9.根据前述任何权利要求的方法，其特征在于，为测定发射信号和接收信号之间频率错位的量序，以一种单一频率发射信号，或者是由较大距离所分隔的、大于所要测量的频率错位的不同频率的信号。
10.根据前述任何权利要求的方法，其特征在于，流体是大气，发射信号有约200毫秒的持续时间，发射频率分隔约75赫芝，发射频率的中心值约2.1千赫。
11.根据权利要求1至9的任何一个的方法，其特征在于，流体是大气，发射信号有约600毫秒的持续时间，发射频率分隔约25赫芝，发射频率的中心值约700赫芝。
12.根据权利要求1至9的任何一个的方法，其特征在于，流体是水，发射信号有约40毫秒的持续时间，频率分隔500赫芝，发射频率范围的中心值约40千赫。
全文摘要
一种遥测流体，如空气或水的三维速度的方法，该方法包括通过一个声换能器平面阵列，在至少三个不同的方向上发射确定频率的信号，使用上述声换能器接收由流体反向散射的声信号。该方法的特征在于，以不同的确定频率F1，F2和F3，首先在一个确定的方向D1发射声信号，然后是确定的方向D2，最后是确定的方向D3，此后再接收由流体反向散射的全部信号。本发明可以提高精确度并增大测量的最大范围。
文档编号G01W1/00GK1117139SQ9411560
公开日1996年2月21日 申请日期1994年8月29日 优先权日1993年8月30日
发明者让-米歇尔·法日, 阿莱·东奇尔, 雷米·塔索 申请人:雷米泰奇公司