[发明专利]用于声雷达应用的换能器阵列布置以及操作

说明书

技术领域

本发明涉及一种声波探测和测距(声雷达)系统。

背景技术

声雷达系统利用声音来检测大气现象，例如风速。单基地 (monostatic)声雷达通过发射定向声脉冲和检测从单一装置反射回的信 号来进行操作。相控阵列单基地声雷达利用多组声换能器借助于电子部 件来发射和接收不同方向的声波束。这是通过改变由组成阵列的独立换 能器所发射信号的相位和改变采样过程的相位以使得换能器检测从大气 反射回来的信号来实现的。在操作过程中，阵列本身结构上保持静止。 在专利号为US4558594的专利中描述了这种方法，该专利公开的内容在 此通过引用而并入。

此相控阵列方法的优点是：发射信号的定向功率密度和要接收信 号的阵列的定向敏感度具有相对于单换能器来说非常窄的主波束宽 度，并且其可以利用合适的电子器件被定向在多个方向上。

单基地声雷达系统典型地利用被布置在矩形网格填充布置中的换 能器阵列，使得换能器以行和列布置，如专利号为4558594的专利中 的图2、4和5所示。这些阵列被操作使得这些阵列发射三个连续的波 束，一个垂直于阵列平面，另外两个相对于阵列以一定高度倾斜并且 它们之间相位角为90度。采用圆形换能器的矩形网格间隔使得阵列表 面的27％成为空白区，这样就在阵列上产生了声压的不均匀，有可能 导致测量误差。另外，这还内在地降低了声压的最大强度，相应地降 低了阵列的准确性和敏感度。而且采用不对称声波束导致了不对称感 测，这就产生了测量和计算误差。

发明内容

本发明包括一种用于声雷达系统的声换能器的布置或阵列，以及一种 操作该阵列以实现改进的大气探测的系统和方法。一方面，本发明包括 以大致六边形网格填充布置代替传统的矩形网格填充布置来组合声换能 器阵列。本发明的阵列优选应用在单基地声雷达系统中。另一方面，本 发明包括将所述换能器操作为在被间隔开120度的三个定向排(而不是 被间隔开90度的两个定向排)上按顺序操作的相控阵列。该操作产生了 三个连续声波束，这三个波束具有彼此被间隔开120度相位角的主轴线。 作为优选，三个波束均在同一高度处。这样就使得三个波束的主轴线围 绕以阵列中心为其顶点的虚拟的竖直定向的圆锥表面被均匀地间隔开。

作为优选，在本发明中使用具有对称(圆形)致动器和喇叭(horn) 的换能器，使得每个换能器不存在内在的方向性。本发明的一个优势在 于，所述阵列的大致六边形网格填充布置生成被各换能器包围的区域接 近于换能器致动器、换能器喇叭和与它们相关联的声学散布图案的圆形 的阵列。这种换能器填充布置内在降低了喇叭之间的空间的不希望有的 声学特性，从而提高了阵列前侧声压的均匀性。均匀性的提高减少了声 音向被导向波束周边之外的发射，对称性也降低了阵列对波束外声音的 接收方式的敏感度。

另一个优势在于，与以行和列排列的换能器的矩形网格间隔所允许采 用的换能器相比，大体六边形的网格填充布置允许在给定区域中采用更 多的换能器。本发明的阵列的换能器填充密度也提高了穿过换能器前侧 的声压的均匀性和强度。

另一个优点还在于，利用被定向间隔开120度的三个波束，对在波束 被传播的相位角方向中的每个方向上结构对称的阵列的操作使得声雷达 基于结构上对称的三个连续声波束进行操作。这使得声雷达的外壳被加 工成形状对称，并继而产生形状对称的被发射和被接收的声波束。这样， 由于与外壳的相互作用而产生的失真内在地被施加到所有三个定向上。 这就降低了由于不对称操作而产生的测量和计算误差。

还有另一个优点在于，利用被定向间隔开120度的三个波束，阵列的 操作允许在各波束的中心之间具有最大角度，并允许在任一波束中心和 顶点之间有任意特定的最大角度。因为增大各波束之间的角度可以提高 精确度，而增大每个波束与顶点之间的角度则由于大气影响会降低精确 度和数据收集的可靠性，所以相对于现有技术，此结构提高了准确度和 数据收集的可靠性。