CN109073750B

CN109073750B - 多扇区测量系统和方法

Info

Publication number: CN109073750B
Application number: CN201780026586.0A
Authority: CN
Inventors: 詹斯·斯蒂恩斯特拉普; 克里斯多佛·蒂曼; 马克·初恩; 柯克·霍巴特
Original assignee: R2sonic LLC
Current assignee: R3Vox Ltd
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2017-04-24
Publication date: 2023-08-15
Anticipated expiration: 2037-04-24
Also published as: CN116879906A; CN109073750A

Abstract

一种测量系统包括多波束回声测深器，多波束回声测深器具有单个投射器阵列和单个水听器阵列，该测量系统构建了多分量消息，用于声穿透多个扇区，并解构了相应的消息回声，用于分析每个扇区的回波。

Description

多扇区测量系统和方法

优先权申请并且通过引用结合

本申请是2017年3月31日提交的美国专利申请No.15,476,137的部分接续，该美国专利要求2016年4月29日提交的美国临时专利申请No.62,329,631的权益，并且本申请要求2016年8月8日提交的62,372,231的权益，所有这些申请的全部内容实际上通过引用结合于此。本申请出于所有目的通过引用包括涉及米尔斯交叉声纳的美国专利No.3,144,631、涉及用于绘制海底地形图的声纳的8,305,841、涉及扩频通信技术的7,092,440、涉及多普勒频率估计的5,483,499以及涉及频率脉冲声纳的9,244,168的公开内容的全部内容。

技术领域

本发明涉及水下声学系统、使用水下声学系统的方法以及处理和使用其产生的数据的方法。具体地，本发明涉及包括声纳系统的测量系统，所述声纳系统能够对水体底部进行多扇区声穿透(ensonification)。

背景技术

1912年泰坦尼克号撞上冰山一个月后，英国气象学家Lewis Richardson向英国专利局申请了水下测距装置的专利。Richardson发明的现代继承通常称为声纳(声音导航和测距)装置。这些装置包括使用换能器阵列投射通过液体介质的声波或压力波并且使用从散射和/或反射撞击波的特征接收相应回波的换能器阵列的装置。

可以从回声中获得关于这些特征及其环境的信息。例如，水深测量提供关于散射中心的深度的信息，水柱测量提供关于水柱中的散射中心的信息，海底表征测量提供关于在海底表面和海底表面下方的散射中心的信息。在回声中返回的信息的多样性和质量可以部分地由用于激励投射器换能器的信号的特性来确定。

获取这些信息的成本受到获取该信息所需的人力和设备的时间表的强烈影响。

虽然在减少了进行水下测量所需的时间的同时在提高数据质量和多样性方面取得了一些进展，特别是通过使用多波束回声测深器，但长期存在的技术挑战和与建造和测试昂贵的新测量设备相关的风险对进一步类似的改进构成了重大障碍。

发明内容

本发明提供了一种多扇区测量系统和方法。多扇区测量操作可能在多个测量任务中有用，包括水深测量、水柱监测、前视测量、多普勒测速、多普勒电流剖面和运动稳定。

水深测量可以受益于多扇区操作和相关的更广泛的声穿透区域，具有示例性的优势，包括更快的测量速度、冗余和目标的多方面成像中的一个或多个。

水柱监测可能会受益于多扇区操作，其方式类似于水深测量，也可能是由于每声脉冲体积的声穿透扩大。应用包括计数生物制品、发现羽状物、量化污染物浓度等。

前视声纳(FLS)可能会受益于多扇区操作，例如，声纳旋转90度，以面向其扇区。特别地，多个FLS扇区能够在每次声脉冲时搜索源前面的大体积。仅举几例，体积成像应用包括避障、监控水下构造和安全。

多普勒测速仪可以受益于多扇区操作，其优点包括使用一个或多个前/后转向扇区，这些扇区允许来自多波束回声测深器的类似两面神(Janus)的波束配置，其中，可以进行多普勒估计，例如，多普勒计程仪(DVL)估计。当源静止时，类似的设置可以用作声学多普勒电流剖面仪(ADCP)。

诸如三轴运动稳定等运动稳定可能受益于多扇区操作。例如，通常的做法是在声脉冲时使用俯仰/滚转测量来基于垂直参考电子地操纵角度校正，使得所有声脉冲报告来自相同波束角度的数据，而不管船只运动如何。使用多个扇区还可以支持对偏航、沿第三轴的旋转的校正。

在一个实施例中，测量系统提供用于多扇区水深测量，所述测量系统包括用于安装在水上交通工具上的多波束回声测深器系统，所述测量系统包括：声学收发器，用于供单个投射器阵列中的一个或多个换能器和单个水听器阵列中的多个换能器使用；米尔斯交叉设置的投射器和水听器阵列；收发器发射机，用于生成包括N≥3个编码消息分量的消息，用于使水体底部的各个扇区声穿透；收发器接收机，其具有接收机工作频率范围，所述接收机用于接收来自声穿透扇区的在时间和频率上重叠的回波；接收机中的N个匹配滤波器，每个匹配滤波器选择性地检测相应的扇区回波；并且，所述接收机的工作频率范围包括消息分量频带；其中，所述消息分量在时间和频率上重叠。

在一些测量系统实施例中，每个消息分量占据大部分或基本上所有的消息分量频带。大部分可能指的是超过50％的消息分量频带或超过75％的消息分量频带。基本上所有可能指的是超过90％的消息分量频带。基本上所有可能指的是收发器技术限制，这些限制导致与发射机工作频带相比频率误差较小。

并且，在一些测量系统实施例中，测量系统还包括：收发器发射机中的N个信号发生器，每个信号发生器用于生成编码消息分量中的相应一个。

在一些测量系统实施例中，测量系统还包括：收发器发射机中的N个扩频信号发生器，每个信号发生器用于生成编码消息分量中的相应一个；并且，其中，所述消息分量频带占据了少于接收机工作频率范围的一半。在另一些测量系统实施例中，测量系统还包括：收发器发射机中的N个扩频信号发生器，每个信号发生器用于生成编码消息分量中的相应一个；并且，其中，消息分量频带占据了基本上所有的接收机工作频率范围。

在一些测量系统实施例中，测量系统还包括：一组不同的跳频码，每个码用于指导选择表征每个消息分量的三个或更多频率。在一些测量系统实施例中，测量系统还包括：其中，所述消息分量包括三个或更多频率的连续正弦波形。并且，在一些测量系统实施例中，科斯塔斯码用于指导选择频率。

在一些测量系统实施例中，消息包括五个或更多个消息分量。在一些测量系统实施例中，消息包括十个或更多个消息分量。在一些测量系统实施例中，消息包括二十个或更多个消息分量。在这些实施例中的一些中，并行发射消息内的消息分量。并且，在这些实施例中的一些实施例中，串行发射消息内的消息分量。

在一些测量系统实施例中，消息包括(y+z)消息分量；在时间间隔t1内并行发射y个消息分量；在时间间隔t2内并行发射z个消息分量；并且，时间间隔t2晚于时间间隔t1开始。

附图说明

参照附图描述本发明。这些附图包含在本文中并构成说明书的一部分，说明了本发明的实施例，并与说明书一起进一步用于解释其原理，使得相关领域的技术人员能够进行和使用本发明。

图1A示出了包括本发明的多波束回声测深器系统的测量系统；

图1B至图1F示出了图1A的多波束回声测深器系统的至少多个部分的实施例；

图1G示出了所选符号的图例；

图2A至图2B示出了供图1A的多波束回声测深器系统使用的消息周期；

图3A示出了配备有供图1A的多波束回声测深器系统的米尔斯(Mills)交叉型排列阵列的船只；

图3B至图3F示出了供图1A的多波束回声测深器系统使用的扇区和多扇区操作；

图4示出了供图1A的多波束回声测深器系统使用的信号代码和序列的表；

图5A至图5G示出了供图1A的多波束回声测深器系统使用的各种扩频消息。

具体实施方式

在以下页面中提供的公开描述了本发明的一些实施例的示例。设计、附图和描述是其公开的实施例的非限制性示例。例如，所公开的装置和/或方法的其他实施例可以包括或不包括本文描述的特征。此外，所描述的特征、优点或益处可仅适用于本发明的某些实施例，而不应用于限制所公开的发明。

本文使用的术语“耦合”包括直接和间接连接。此外，在第一和第二装置耦合的情况下，包括有源装置的居间装置可以位于其间。

图1A至图1E示出了包括多波束回声测深器系统的测量系统，并描述了示例性多波束回声测深器实施例。图1G示出了出现在图1C至图1F上的所选符号的图例。

图1A示出了根据本发明实施例100A的测量系统。测量系统包括回声测深器系统，例如，多波束回声测深器系统102，回声探测器系统可以安装在水面交通工具或船只、遥控交通工具、自主水下交通工具等上。如下文进一步描述的，回声测深器和/或测量系统输出114可以与水听器数据的回声测深器处理同时进行，如在用于水深测量的一些实施例中，或者与水听器数据的处理不同时进行，如在用于水体底部分类的一些实施例中。

多波束回声测深器系统104获取的数据包括来自回声测深器监听装置的数据，回声测深器监听装置例如是水听器(例如，换能器)，回声测深器监听装置接收与从回声测深器投射器发出的声波/压力波相关的但由于与多种不均匀性的相互作用而返回的回声。相互作用可以采取反射或散射的形式。不均匀性(也称为反射体和散射中心)代表介质的物理性质的不连续性。可以在以下三项中的一个或多个中找到示例性散射中心：i)水体(例如，水柱)的声穿透体积、ii)底部的声穿透表面上、或iii)浅底(sub-bottom)的声穿透体积内。

生物性质的散射中心可能存在于水柱中，因为这些中心是海洋生物的一部分。非生物性质的散射中心可能以气泡、灰尘和沙粒、热微结构以及自然或人为来源的湍流(例如，船只尾流)的形式存在于水柱中。底部表面上的散射中心可能是由于底部的机械粗糙度，例如，波纹，或者是由于底部组成的固有尺寸、形状和物理排列，例如，泥浆、沙子、贝壳碎片、鹅卵石和大石头，或者是由于这两个因素。浅底中的散射中心可能是由于沉积物的生物扰动、海底内的不同沉积物材料的分层或埋在地下的人造结构，例如，流水线。

回声测深器系统内的数据处理可以包括水听器数据106的同时处理，例如，以获得测深和/或反向散射数据。数据处理还可以包括多波束回声测深器系统数据108的非同时处理，例如，以表征底部条件或水柱。

数据处理可以包括利用补充数据或其他数据。例如，水听器数据106的同时处理可以利用同时110和/或非同时112数据，例如，同时收集的地理定位系统(“GPS”)数据、声速测量、姿态和导航信息。例如，回声测深器系统数据的非同时处理可以利用同时110和/或非同时112数据，例如，非同时收集的水体底部组成数据和潮汐记录。

图1B示出了示例性多波束回声测深器系统(“MBES”)100B的多个部分。回声发声器系统包括换能器部分120和声学收发器122。回声测深器系统可以包括收发器接口，例如，接口模块124和/或工作站计算机126，用于数据处理、数据存储以及人机接口中的一个或多个。此处以米尔斯交叉布置120示出的示例性换能器包括发射机或投射器阵列130、和接收机或水听器阵列140。投射器阵列中的投射器可以沿着与安装其的交通工具或船只的龙骨线或轨迹平行的线间隔开，这可以称为沿轨迹设置。在一些实施例中，收发器122的接收机具有与投射器和/或水听器的工作频率范围匹配的工作频率范围。

在回声测深器操作期间，从投射器阵列发出的声音或压力波在水体内并且可能在水体下方的底部行进，这样做，可能经历对压力波的传播轨迹造成干扰的相互作用，例如，反射或散射。水听器阵列可以“听到”一些反射或回声。参见例如Etal的美国专利No.3,144,631的公开内容，该专利的全部内容并出于所有目的而通过引用结合于此。

声学收发器122包括发射机部分150和接收机部分170。声学收发器可以被配置成向单个投射器阵列130进行发射并从单个水听器阵列140进行接收。在一些实施例中，可以说这种收发器与单个发射机阵列和单个接收机阵列一起工作。除非另有说明，术语收发器不需要普通的发射机和接收机封装。

在各种实施例中，单个投射器阵列在单个声脉冲(ping)上使整个条带(swath)声穿透。在此处，投射器阵列可以是单个投射器阵列，而与所采用的装置的几何形状、布置或数量无关。例如，在多个投射器形成多个空间上不同的投射器组的情况下，如果操作多个投射器以在单个声脉冲上使整个条带声穿透，则这些投射器是单个投射器阵列。

回声测深器还可以包括用于与收发器122互连的装置，例如，接口模块124。该接口模块除了提供其他功能外，还可以提供收发器的电源、与收发器的通信、与工作站计算机126的通信以及与其他数据源(例如，同时期GPS数据源)的通信。

工作站计算机126可以提供一个或多个数据处理，例如，用于勘测结果可视化的数据处理，用于数据存储(例如，存储测深数据和反向散射数据)的数据处理，用于用户输入的数据处理，并且用于显示任何输入、系统状态和勘测结果的数据处理。

图1C示出了示例性多波束回声测深器系统(“MBES”)100C的部分。回声测深器系统包括换能器部分120、发射机部分150和接收机部分170。一些实施例包括传感器接口部分190和/或管理部分192。

换能器部分包括用于发射声学消息的换能器和用于接收声学消息的换能器。例如，换能器部分可以包括投射器阵列130和水听器阵列140。

投射器阵列中的投射器可以包括可以堆叠或不堆叠的压电元件，例如，陶瓷元件。元件几何形状可以包括圆形和非圆形几何形状，例如，矩形几何形状。一些投射器的工作频率范围为约10kHz至100kHz、约50kHz至550kHz或约100kHz至1000kHz。

水听器阵列中的水听器可以包括压电元件，例如，陶瓷元件。元件几何形状可以包括圆形和非圆形几何形状，例如，矩形几何形状。一些水听器的工作频率范围为约10kHz至100kHz、约50kHz至550kHz或约100kHz至1000kHz。

在投射器阵列130和水听器阵列140的操作期间，发射机部分激励投射器阵列，从投射器阵列发出输出消息137，该消息在液体介质中行进到反射体或散射中心138，被反射或被散射，随后，返回或输入消息139行进到水听器阵列140，以供接收机170处理。值得注意的是，在水听器阵列140处接收的声波/压力波输入136可以包括所发送消息137的扰动版本以及寄生信号(spurious signal)和/或噪声内容。

发射部分150可以包括信号发生器块158、发射波束形成器块156、求和块154和功率放大器块152。发射部分生成或以其他方式获得一个或多个信号或消息分量158，这些信号或消息分量158将用于构成消息137。值得注意的是，消息可以由多个信号组成，也可以不由多个信号组成。在消息由多个信号组成的情况下，该消息可以包含i)并行(叠加)的信号、ii)串行(级联)的信号或者iii)可以是并行和串行信号的组合。

发射波束形成器块156从进行每个信号的波束形成的信号发生器块158接收信号。一个波束(多个波束)在求和块154中组合，以构造并行、串行或组合消息M。在功率放大器块152中，放大消息的时间序列电压，以激励或驱动投射器阵列130中的换能器。在一个实施例中，每个换能器由相应的放大器驱动。

接收部分170包括多个水听器信号处理流水线。在一个实施例中，接收部分包括硬件流水线块/模拟信号处理块172、软件流水线块/数字信号处理块174、接收波束形成器块176和处理器块178。接收部分提供从水听器阵列140接收的输入136中隔离和处理消息137。例如，一些实施例处理回声，以根据往返行程时间等等确定深度，该往返行程时间基于将所发射的消息137与和水听器阵列输入136隔离的相应接收到的消息进行匹配。

在硬件流水线块172中，水听器阵列140的多个水听器阵列换能器向执行信号调节和模数转换的多个硬件流水线提供输入。在一些实施例中，模数转换被配置用于过采样，其中，转换器F_in(最高输入频率)小于F_s/2(转换器采样频率的一半)。在一个实施例中，收发器122以大约800kHz的最大频率工作。在一个实施例中，收发器利用采样率在大约5到32MHz范围内的模数转换器。在一个实施例中，收发器利用采样率为大约5MHz或大约32MHz的模数转换器。

在软件流水线块174中，硬件流水线172向软件流水线提供输入。一个或多个流水线为水听器阵列中的每个水听器服务。每个软件流水线都提供向下转换和过滤。在各种实施例中，滤波器从水听器输入136恢复消息。在一个实施例中，每个水听器由多个流水线服务，用于解释、区分、解构和/或解码诸如多分量消息等消息。

在接收波束形成或操纵块176中，软件管线174提供波束形成器输入。波束形成器功能包括多个输入信号的相移和/或时间延迟和求和。在一个实施例中，为多个经编码的信号中的每一个信号提供波束形成器。例如，在软件流水线使用两个经编码的信号来进行操作的情况下，到第一波束形成器的输入是对第一代码进行解码的软件流水线，到第二波束形成器的输入是对第二代码进行解码的软件流水线。

在处理器块178中，波束形成器块176的波束形成器提供处理器输入。处理器功能可以包括底部检测、反向散射处理、数据缩减、多普勒处理、声学成像和生成反向散射的短时间序列(有时称为“片段”)中的任何一个或多个。

在一个实施例中，提供了管理部分192和传感器接口部分190。管理部分包括接口模块194和/或工作站计算机196。传感器接口部分提供来自一个或多个传感器ES1、ES2、ES3的接口信号，例如，用于时间(例如，GPS)、运动、姿态和声速的传感器。

在各种实施例中，控制和/或控制相关的信号在管理部分192与如下中的一个或多个之间交换：功率放大器块152、软件流水线块174、发射波束形成器块156、接收波束形成器块176、信号发生器块158、处理器块178。并且，在各种实施例中，传感器接口部分数据190与管理部分192和处理器块178交换。

图1D示出了示例性多波束回声测深器系统(“MBES”)100D的部分。回声测深器系统包括换能器部分120、发射机部分150和接收机部分170。一些实施例包括接口部分190和/或管理部分192。

在所示的实施例中，包含数量N个信号(例如，N个不同编码信号)的消息153用于激励投射器阵列中的多个投射器，并且具有数量T个硬件或软件管线和(T×N)个硬件或软件管线的接收机可以用于处理T个水听器信号，以恢复N个编码信号中的每一个信号特有的回声信息。

发射机部分150用于激励投射器阵列130。该部分包括信号发生器块158、发射波束形成器块156、求和块154和功率放大器块152。

信号发生器块158可以生成数量N个信号或消息分量，例如，N个不同的编码信号(例如，S_cd1...S_cdN)。在各种实施例中，消息内的多个信号中的每一个信号可以共享公共中心频率和/或公共频带。

发射波束形成器块156接收N个信号发生器块输出。对于所生成的N个信号中的每一个信号，波束形成器块产生一组输出波束信号，使得存在N组输出波束信号。

求和块154接收并求和N组输出波束中的信号，以提供求和输出153。

功率放大器块152包括用于驱动投射器阵列130中的各个投射器的数量S个放大器。每个功率放大器接收求和输出或作为求和输出153的函数的信号，放大该信号，并用放大的信号驱动相应的投射器。

包含数量T个水听器140的阵列用于接收源自投射器阵列130的声波/压力波的回声。在接收机部分170中处理所得水听器信号，接收机部分170包括硬件流水线块172、软件流水线块174、接收波束形成器块176和处理器块178。

在硬件流水线块172中，T个流水线为T个水听器信号中的每一个提供独立的信号调节和模数转换。

在软件流水线块174中，(T×N)个软件流水线为T个硬件流水线输出中的每一个提供下变频和滤波。本领域已知的装置(例如，匹配滤波器)可以用于区分不同编码的信号。如图所示，T个硬件管线输出181、182、183中的每一个提供N个软件管线输入a、b和c、d和e、f(即，3×2＝6，其中，T＝3，N＝2)。

在接收波束形成器块176中，(T×N)个软件流水线块174的输出用于形成N组波束。为N个码中的每一个提供波束形成器。例如，在存在T＝3个水听器并且软件流水线处理N＝2个代码的情况下，到第一波束形成器的输入是处理第一代码a₁、c₁、e₁的软件流水线，到第二波束形成器的输入是处理第二代码b₁、d₁、f₁的软件流水线。

在处理器块178中，N个处理器接收由波束形成器块176形成的各个波束组。处理器块178数据与管理部分192交换，并且将传感器接口190数据ES1、ES2、ES3提供给管理部分和/或处理器块。

在各种实施例中，来自管理块192的控制信号用于进行功率放大器块152的设置(例如，用于阴影的“S”功率放大器)、控制发射波束形成器156和接收波束形成器176、选择软件流水线块174的工作频率并且设置信号发生器块158的工作频率。

如上所述，所公开的回声测深器发射机可以构建包含N个分量的消息，例如，N个经编码的信号。并且，回声测深器可以利用具有T个硬件管线和(T×N)个软件管线的接收机来处理T个水听器信号，以恢复N个消息分量中的每一个特有的回声信息。

图1E至图F示出了示例性多波束回声测深器系统(“MBES”)100E-F的多个部分。回声测深器系统包括换能器部分120、发射机部分150和接收机部分170。一些实施例包括接口部分190和/或管理部分192。

在所示的实施例中，包含第一、第二和第三消息分量的消息153(例如，编码信号S_cd1、S_cd2、S_cd3，其中，N＝3)用于激励投射器阵列中的三个投射器，并且具有三个硬件管线和九个软件管线的接收机用于处理三个水听器信号T＝3，以恢复N个消息分量中的每一个特有的回声信息。

在信号发生器块158中，构造、生成、调用和/或以其他方式提供信号。在此处，用例如N＝3个信号发生器描述了示例性过程。在波束形成器块156的各个波束形成器中，从每个信号生成多个波束。在求和块154中，对波束进行组合，以产生求和块输出信号或发射消息153。

换能器块120包括投射器阵列130和水听器阵列140，例如，该水听器阵列设置为米尔斯交叉。如图所示，投射器阵列中有三个投射器131，水听器阵列中有三个水听器141。在功率放大器块152中，求和信号或发射消息153是到驱动各个投射器的功率放大器的输入。

申请人注意到，为了便于说明，投射器和水听器的计数限于三个。如本领域技术人员将理解的，换能器阵列不需要相等数量的投射器和水听器，也不需要将这些类型的换能器的数量限于三个。例如，现代多波束回声测深器可以使用1至96个或更多投射器和64至256个或更多水听器。

T＝3个水听器构成的阵列141用于接收源自投射器阵列130的声波/压力波产生的回声。在接收机部分170中处理所得水听器信号，接收机部分170包括硬件流水线块172、软件流水线块174、接收波束形成器块176和处理器块178。

在硬件流水线块172中，T＝3个硬件流水线中的每一个通过包括模数转换器的模拟部件来处理相应的水听器141信号。在所示的实施例中，硬件管线通过第一放大器、诸如低通抗混叠滤波器等抗混叠滤波器、第二放大器和模数转换器提供顺序信号处理。

在软件流水线块174中，通过具有下变频和匹配滤波的N＝3个软件流水线来处理T＝3个硬件流水线输出中的每一个。在所示的实施例中，软件管线通过混合器(诸如本地振荡器等振荡器可以耦合到混合器)、带通滤波器、抽取器和匹配滤波器来提供顺序信号处理。可以经由处理器块178、信号发生器块158、硬件管线块172、软件管线块174以及波束形成器块176中的任何一个之间的通信链路进行通信。参见例如图1C至图1D。

每个软件流水线可以具有单个混合器和/或每个硬件流水线可以没有混合器。处理器178可以控制第一和/或第二硬件流水线放大器的增益。处理器可以提供调谐，例如，经由与混合器相耦合的处理器控制振荡器来提供调谐。

在接收波束形成器块176中，N＝3个波束形成器中的每一个处理信号。这样，i)对应于第一编码信号的第一组三个软件流水线输出由第一波束形成器处理，ii)对应于第二编码信号的第二组三个软件流水线输出由第二波束形成器处理，以及iii)对应于第三编码信号的第三组三个软件流水线输出由第三波束形成器处理。值得注意的是，波束形成器可以在硬件或软件中实现。例如，一个或多个波束形成器可以在一个或多个现场可编程门阵列(“FPGA”)中实现。

在处理器块178中，N＝3个处理器中的每一个用于处理相应的波束形成器输出。在此处，在第一处理器中处理由第一波束形成器生成的第一多个波束，在第二波束形成器中处理由第二波束形成器生成的第二多个波束，并且在第三波束形成器中处理由第三波束形成器生成的第三多个波束。

处理器输出与管理部分192互连。值得注意的是，一个或多个处理器可以在单个装置中实现，例如，单个处理器或数字信号处理器(“DSP”)，或者在多个装置中实现，例如，多个信号处理器或数字信号处理器。

可以尤其经由与多个传感器ES1、ES2、ES3接合的传感器接口部分190等提供补充数据。传感器接口模块可以向管理部分192和/或处理器块178中的处理器提供传感器数据。

管理部分192包括声纳接口194和/或工作站计算机196。在各种实施例中，来自管理块192的控制信号用于进行功率放大器块152设置(例如，用于阵列阴影)、控制发射波束形成器156和接收波束形成器176、选择软件流水线块174工作频率、设置信号发生器块158工作频率并且提供处理器块178操作指令中的一个或多个。

申请人注意到，图1C至图1F的回声测深器系统可用于处理来自以下目标的水听器回波：i)存在于水体的声穿透体积内的目标、ii)位于底部的声穿透表面上的目标、或iii)位于底部的声穿透体积内的目标。

图2A示出了第一消息周期200A。该周期包括在时间t1期间发射消息和在时间t3期间接收消息的一系列操作。消息的发射是指激发投射器阵列130的过程，消息的接收是指包括水听器阵列140接收消息回声的互补过程。主要随着范围、角度和声速而变化的等待时间t2可以介于消息发射的结束和消息接收的开始之间。这个等待时间可以由声纳距离尺度设置或最长探测距离的往返行程时间来确定，例如，从由投射器阵列声穿透的条带内的最远处观察到的位置或小区的回波。在一些实施例中，消息发射长度在10至60微秒的范围内。在一些实施例中，发射消息长度约为5-15毫秒或10毫秒。

图2B示出了第二消息周期200B。在此处，发射的消息包括多个经编码的消息分量。在消息的发射期间，每个消息分量由波束形成器156操纵，以使水体底部的相应条带或扇区声穿透，这将在下面进一步解释。每个发射的消息分量导致类似编码的消息分量回波。接收机中的解码分离这些回波，使得每个扇区特有的数据可用于分析。

图3A至图3D示出了装备有多波束回声测深器300A-D的示例性船只。例如，参见图1A至图1E的回声测深器。如图3A所示，MBES阵列封装304固定到船只302，例如，固定到船只底部。

沿着投射器308的轨迹阵列和水听器310的横穿轨迹阵列在阵列封装304内。投射器阵列用于由诸如图2A或图2B的消息等发射消息激励。水听器阵列用于接收发射消息的回声。如下所述，交叉阵列设置(例如，投射器和水听器阵列的米尔斯交叉设置)使得回声测深器能够利用交叉的发射和接收波束进行操作，其中，十字交叉点识别特定的水体位置、区域或单元(cell)。交叉阵列可以具有垂直或基本上垂直的设置。基本上垂直是指由阵列组件公差、安装公差、和调整公差等中的任何一个引起的与垂线的大致小偏差。

图3B示出了底部声穿透300B。具体地，水体底部312的横穿轨迹条带或扇区通过投射器阵列308声穿透。注意，沿轨迹投射器阵列308使横穿轨迹扇区声穿透。如图所示，与较窄的沿轨迹孔径角θ_t2相比，投影波束311具有宽的横穿轨迹孔径角θ_t1。水听器阵列310可以接收来自该声穿透扇区的回声。

图3C示出了底部声穿透和由底部300C产生的回声。特别地，水听器阵列310接收来自声穿透横穿轨迹扇区312的回波。如图所示，与较窄的横穿轨迹角θ_R2相比，接收波束321具有宽的沿轨迹孔径角θ_R1。并且，如图所示，可以操纵水听器阵列波束，以观察或读取一组沿轨迹条带331、332、333......这些条带在多个相邻或重叠的位置处与声穿透的扇区312相交。可以从这些相交位置或区域340中的每一个获得数据，例如，测深数据，并且该数据与这些相交位置或区域340中的每一个相关联，使得每当横穿轨迹扇区被声穿透时，多个接收波束观察多个接收条带，并且在沿着声穿透扇区的多个位置处提供测深数据。

正如可以通过多个接收波束321观察或读取单个声穿透扇区312一样，也可以通过多个接收波束观察或读取多个被声穿透的扇区。

图3D示出了多扇区底部声穿透300D。在此处，操纵投射器阵列，以产生在轨迹上定向的多个相邻或重叠的被声穿透的条带或扇区。虽然可以投影任意数量的扇区，例如，2、3、4、5、10或更多个扇区，但是图3D的示例示出了五个投影的扇区，包括前部A和后部A扇区的侧边的中央扇区，该前部A和后部A扇区分别在前部B和后部B扇区的侧边。如前所述，多个接收束351提供一组沿轨迹接收条带361、362、363...。这些接收条带与多个扇区372相交。

当接收条带362与多个扇区相交时，可以观察到多个372小区340。并且，当多个接收条带361、362、363...与多个扇区相交时，产生网格状或二维区域370，并且可以从由该区域内的交叉点识别的每个小区获得水深数据。

申请人注意到，如图3D所示，每个扇区都有基本上是直线的相对的横穿轨迹边界。这种呈现是理想化的。实际上，这些相对的扇区边界可以是弯曲的。例如，水体底部上的扇形轮廓可以是抛物线形状，具有横穿轨迹的主要尺寸。发射波束成形和/或除平面水体底部之外的底部可能有助于扇区具有除直线横穿轨迹边界之外的边界，但这并不排除定位小区340的中央。

多扇区操作的优点可能包括测量速度增大，这是由于例如声穿透的延伸的沿轨迹区域、经由区域重叠的冗余(例如，在声脉冲之间具有50％的重叠，可以在观察到的每个水体底部位置提供两次观察)以及从多个方面对给定目标成像。例如，从多个方面成像包括在最低点和从两个相对的最低点以外的侧面成像。例如，从多个方面成像包括前方、上方和后方。

在各种实施例中，实现多扇区测量系统的益处需要能够区分从每个扇区返回的回声的MBES。虽然可能使用消息内的分量的时间分离，但这需要及时分离使每个扇区声穿透的信号。可以在单个或多个消息周期中发射消息的内容。虽然可能使用频率分离，但这需要划分接收机的带宽。当回声信号包括来自多个扇区的回波时，可能具有一种更可靠的解决方案，这些回波在时间上重叠并且不需要划分接收机带宽。特别地，包含多个并行、串行或并行-串行编码消息分量的发射机消息可以实现消息分量的分离。此外，在消息包含多个串行分量的情况下，整个发射机源电平可以依次专用于每个分量，从而产生更高能量的信号。

图3E示出了使五个扇区300E声穿透的发射消息。在此处，MBES投射器阵列308将五个形成的波束381-385发射380到中心扇区，发射到位于中心扇区侧面的后部A扇区和前部B扇区，并且发射到外围后部B扇区和前部B扇区。这五个形成的波束381-385中的每一个使相应的扇区通过消息内的五个不同编码信号或消息分量中的一个声穿透，使得接收机可以将消息回波分量与其相应的扇区相关联。

在所示的示例中，第一波束381通过编码信号1声穿透后部B扇区，第二波束382通过编码信号2声穿透后部A扇区，第三波束383通过编码信号3声穿透中心扇区，第四波束384通过编码信号4声穿透前部A扇区，第五波束385通过编码信号5声穿透前部B扇区。值得注意的是，如此处所描述的，单个消息可以包括用于使多个扇区声穿透的所有消息分量。此外，这些消息分量可以设置在单个消息周期内，i)串行地设置，使得以某个顺序声穿透多个扇区，ii)并行地设置，使得同时声穿透多个扇区，或者iii)串行-并行消息结构。在另一示例中，这些消息分量可以在多个消息周期之间划分。

图3F示出了来自图3E的消息的回波300F。在此处，MBES水听器阵列310接收390来自中心扇区、来自位于中心扇区侧面的后部A扇区和前部A扇区以及来自外围后部B扇区和前部B扇区的五个成形波束391-395。五个成形波束391-395中的每一个提供来自相应扇区的回波，其中，五个不同消息分量中的一个被包括在发射消息中，使得接收机可以分离这些回波。

图4示出了信号代码和序列(“代码”)400的表。在此处列出了扩频和类似噪声的代码，这些代码可以用来构造不同的信号或消息分量，以包含在所发射的消息中。来自这种消息的回波中的不同波形和/或波形组合使得接收机能够通过例如匹配滤波来区分这些消息分量。

信号扩频码可用于产生扩频信号。如表中所示，信号扩展可以通过跳频来完成。跳频使用频移键控(FSK)信号的伪随机载波移位。适用的编码包括科斯塔斯(Costas)和里德-所罗门(Reed Solomon)指导的频率选择方法。

信号扩展也可以通过直接排序来完成。对于直接排序，相移键控(PSK)信号存在伪随机相移。直接排序扩频(DSSS)可以利用代码，包括巴克(Barker)、歌尔德(Gold)、最大长度、卡沙米(Kasami)码和沃尔什(Walsh)指导的相位选择方法。

另一种编码方案构造具有低可预测性的信号，例如，类似噪声的编码信号。如表中所示，类似噪声的波形结构可以由伪随机输入引导，例如，高斯噪声和确定性混沌。在各种实施例中，信号频率或相位中的任何一个都可以由这些伪随机输入来操纵，以构造不同的波形，用于包含在消息中，使得回波可以被接收机分离或唯一地分离。

表中未提及频率和相位调制信号，这些信号还可以用来区分来自发射消息的回波中的波形、信号或消息分量。

例如，在有限的情况下，线性FM、双曲FM、步进啁啾和弗兰克多相调制中的一种或多种可以用于创建包括有限数量(例如，两个)可区分信号的消息。

例如，在有限的情况下，频率调制(线性FM、双曲FM等)、步进啁啾和弗兰克多相调制中的一种或多种可以用于创建包括有限数量(例如，两个)可区分信号的消息。

图5A至图5G示出了图4的代码之一的示例性使用500A-G。具体地，附图说明了使用科斯塔斯码来指导波形的不同组合的构造，其中，每个波形组合代表发射消息中的给定科斯塔斯码和消息分量。如上图4所示，科斯塔斯码的这种使用是扩频跳频技术。

图5A的表格示出了由相应的科斯塔斯编码信号500A声穿透的5个发射扇区。特别地，五个扇区(例如，图3E的380)由五个相应的科斯塔斯编码信号声穿透。

在后部B位置中的扇区1由指定为OSS1的正交扩频信号(“OSS”)声穿透。基于顺序N＝4的科斯塔斯阵列，信号的科斯塔斯码{1，2，4，3}是该阵列顺序的12个有效科斯塔斯码中的一个。在后部A位置的扇区2由具有科斯塔斯代码{1，3，4，2}的指定为OSS2的OSS信号声穿透。位置中心的扇区3由具有科斯塔斯代码{1，4，2，3}的指定为OSS3的OSS信号声穿透。在前部A位置的扇区4由具有科斯塔斯代码{2，1，3，4}的指定为OSS4的OSS信号声穿透。在前部B位置的扇区5由具有科斯塔斯代码{2，3，1，4}的指定为OSS5的OSS信号声穿透。

该表的最右列显示了消息分量的光谱图，用于使相应扇区声穿透。如图所示，扇区1由消息分量声穿透，由科斯塔斯代码{1，2，4，3}指导编码。光谱图显示了四个时间间隔ts1、ts2、ts3、ts4以及相应的频率fs1、fs2、fs4、fs3。与该光谱图相关联的波形可以是频率为fs4>fs3>fs2>fs1的四个正弦波，使得例如在特定频率的多个周期建立光谱图频率。

以类似的方式，扇区2由消息分量声穿透，由科斯塔斯代码{1，3，4，2}指导编码，扇区3由消息分量声穿透，由科斯塔斯代码{1，4，2，3}指导编码，扇区4由消息分量声穿透，由科斯塔斯代码{2，1，3，4}指导编码，扇区5由消息分量声穿透，由科斯塔斯代码{2，3，1，4}指导编码。

因为编码发射的消息分量，所以消息回波可以分离或唯一地分离成来自每个扇区的单独回波。在一些实施例中，当接收机为每个消息分量包括诸如匹配滤波器(参见例如图1F的MF)等滤波器时，提供该设施，该滤波器被设计成仅检测该消息分量。在一个实施例中，接收机包括N个匹配滤波器，并且每个滤波器选择性地检测相应的扇区回波。

图5B至图5G示出了示例性并行、串行和并行-串行消息500B-G，用于使多个扇区声穿透(参见例如图3E)。如图所示，这些消息可能占据一部分、基本上全部或全部接收机可用带宽。

关于消息分量的并行和串行发射的选择，高度可以确定更理想的发射格式，其中，高度是在投射器阵列和投射器阵列正下方的水体底部之间测量的深度。特别地，随着高度降低，当发射必须在第一个回波返回之前结束时，消息发射时间窗口减小。这种缩短的发射时间窗口可以产生对消息分量的并行而不是串行发射的偏好。随着高度降低，还有一种趋势是发射机信号过剩，这进一步支持使用共享总源电平的并行发射。

以类似的方式，随着高度增加，发射时间窗口增大，串行消息分量的发射可能是可取的。在此处，有一种远离发射机信号过剩的趋势，这表明不共享总源电平的串行消息分量是可取的。在另一考虑中，如果由于高度、源电平等施加的限制而造成在单个消息周期中发射所有消息分量是不利的，则消息分量可以在多个消息周期中串行或串行-并行发射。

图5B示出了第一多扇区测量消息发射。在此处，用于使示例性的一组五个扇区声穿透的消息利用扩频技术，例如，使用科斯塔斯码指导频率选择的跳频。特别地，并行发射五个正交扩频消息分量，使得消息分量OSS1、OSS2、OSS3、OSS4、OSS5中的每一个占据作为接收机频率操作范围的子集的整个消息频带。此处的子集指的是少于接收机频率工作范围的全部，例如，一半、三分之一或四分之一。

图5C示出了第二多扇区测量消息发射。在此处，用于使示例性的一组五个扇区声穿透的消息利用扩频技术，例如，使用科斯塔斯码指导频率选择的跳频。特别地，并行发射五个正交扩频消息分量，使得消息分量OSS1、OSS2、OSS3、OSS4、OSS5中的每一个占据的频带是基本上全部或全部接收机的频率工作范围。与使用频率分离来区分信号的技术相比，这种技术使得每个消息分量能够使用接收机的整个频率工作范围，因此，对于给定的接收机，在发送每个消息分量时，不能充分利用接收机的整个频率工作范围。

图5D示出了第三多扇区测量消息发射。在此处，用于使示例性的一组五个扇区声穿透的消息利用扩频技术，例如，使用科斯塔斯码指导频率选择的跳频。特别地，串行发射五个正交扩频消息分量。如图5B所示，消息分量OSS1、OSS2、OSS3、OSS4、OSS5中的每一个占据作为接收机频率范围的子集的整个消息频带。此外，在消息包含多个串行分量的情况下，发射机源电平可以专用于每个分量，使得与共享源电平的重叠并行信号相比，产生更高能量的信号。

图5E示出了第四多扇区测量消息发射。在此处，用于使示例性的一组五个扇区声穿透的消息利用扩频技术，例如，使用科斯塔斯码指导频率选择的跳频。特别地，串行发射五个正交扩频消息分量。如图5C所示，消息分量OSS1、OSS2、OSS3、OSS4、OSS5中的每一个占据的频带是基本上全部或全部接收机的频率工作范围。

图5F示出了第五多扇区测量消息发射。在此处，用于使示例性的一组五个扇区声穿透的消息利用扩频技术，例如，使用科斯塔斯码指导频率选择的跳频。特别地，并行发射五个正交扩频消息分量中的前三个，然后串行发射最后两个消息分量。消息分量OSS1、OSS2、OSS3、OSS4、OSS5中的每一个占据作为接收机频率范围的子集的整个消息频带。

图5G示出了第六多扇区测量消息发射。在此处，用于使示例性的一组五个扇区声穿透的消息利用扩频技术，例如，使用科斯塔斯码指导频率选择的跳频。特别地，并行发射五个正交扩频消息分量中的前三个，然后串行发射最后两个消息分量。消息分量OSS1、OSS2、OSS3、OSS4、OSS5中的每一个占据的频带是基本上全部或全部接收机的频率工作范围。

申请人注意到，正如具有科斯塔斯编码频率选择技术的跳频扩展序列可用于构建图5A至图5G的消息一样，图4的其他代码和序列也可用于构建包含在导致回波的单个发射消息中的消息分量，其中，消息分量可由接收机通过其变化的代码分离或唯一分离。

虽然上面已经描述了本发明的各种实施例，但是应该理解，仅仅通过示例而不是限制来呈现这些实施例。对于本领域技术人员来说，明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行各种改变。这样，本发明的宽度和范围不应该受到上述示例性实施例的限制，而应该仅根据下面的权利要求及其等同物来限定。

Claims

1.一种用于执行多扇区水深测量的测量系统，所述测量系统包括用于安装在水上行驶的交通工具上的多波束回声测深器系统，所述测量系统包括：

声学收发器，用于供单个投射器阵列中的一个或多个换能器和单个水听器阵列中的多个换能器使用；

米尔斯交叉设置的所述投射器阵列和所述水听器阵列；

收发器发射机，用于生成包括N≥3个经编码的消息分量的消息，所述N≥3个经编码的消息分量用于同时声穿透水体底部上对应的三个或更多个扇区；

收发器接收机，其具有接收机工作频率范围，所述接收机用于接收来自被声穿透的扇区的在时间和频率上重叠的回波；

接收机中的N个匹配滤波器，每个匹配滤波器选择性地检测相应的扇区回波；以及

所述接收机的工作频率范围包括消息分量频带；

其中，所述消息分量在时间和频率上重叠。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其中，每个消息分量占据基本上所有的消息分量频带。

3.根据权利要求1所述的测量系统，还包括：

所述收发器发射机中的N个信号发生器，每个信号发生器用于生成所述经编码的消息分量中的相应一个。

4.根据权利要求1所述的测量系统，还包括：

所述收发器发射机中的N个扩频信号发生器，每个信号发生器用于生成所述经编码的消息分量中的相应一个；以及

其中，所述消息分量频带占据了少于接收机工作频率范围的一半。

5.根据权利要求1所述的测量系统，还包括：

其中，所述消息分量频带占据基本上所有的接收机工作频率范围。

6.根据权利要求5所述的测量系统，还包括：

一组不同的跳频码，每个码用于指导选择对每个消息分量进行表征的三个或更多个频率。

7.根据权利要求6所述的测量系统，其中，所述消息分量包括三个或更多频率的连续正弦波形。

8.根据权利要求7所述的测量系统，其中，科斯塔斯码用于指导选择频率。

9.根据权利要求8所述的测量系统，其中，并行发射消息内的多个消息分量。

10.根据权利要求5所述的测量系统，其中，所述消息包括五个或更多个消息分量。

11.根据权利要求5所述的测量系统，其中，所述消息包括十个或更多个消息分量。

12.根据权利要求5所述的测量系统，其中，所述消息包括二十个或更多个消息分量。

13.根据权利要求10所述的测量系统，其中，并行发射消息内的多个消息分量。

14.根据权利要求10所述的测量系统，其中，串行发射消息内的多个消息分量。

15.根据权利要求10所述的测量系统，其中：

消息包括y+z个消息分量；

在时间间隔t1内并行发射y个消息分量；

在时间间隔t2内并行发射z个消息分量；以及

时间间隔t2晚于时间间隔t1开始。

16.一种用于执行多扇区水深测量的测量系统，所述测量系统包括多波束回声测深器系统，多波束回声测深器系统用于安装在水上行驶的交通工具上，所述测量系统包括：

声学收发器，用于供投射器阵列和水听器阵列使用；

米尔斯交叉设置的所述投射器阵列和所述水听器阵列；

所述接收机的工作频率范围包括消息分量频带；

其中，所述消息分量在时间和频率上重叠。

17.根据权利要求16所述的测量系统，其中，所述投射器阵列在单个声脉冲上声穿透整个条带。

18.根据权利要求17所述的测量系统，其中，所述投射器阵列包括多个不同的投射器组。