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CN109073752A - 多任务和多频谱声纳 - Google Patents

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CN109073752A CN201780026658.1A CN201780026658A CN109073752A CN 109073752 A CN109073752 A CN 109073752A CN 201780026658 A CN201780026658 A CN 201780026658A CN 109073752 A CN109073752 A CN 109073752A
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Abstract

一种包括具有单个投影仪阵列和单个水听器阵列的多波束回声测深器的测量系统构建了多信号消息并解构相应的多信号回声，以基本上同时执行多个测量任务。

Description

多任务和多频谱声纳
优先权申请并且通过引用结合
本申请要求2016年4月29日提交的美国临时专利申请No.62/329,631的权益。出于各种目的,以下各个美国专利的全部公开内容通过引用并入本申请中：涉及米尔斯交叉声纳的3,144,631、涉及用于绘制海底地形图的声纳的美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。
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水下声学系统产生的数据的方法。具体地，本发明涉及包括声纳系统的测量系统，该声纳系统具有使用方法，这些方法能够在使用单个发射换能器阵列和单个接收换能器阵列的同时执行多个测量任务。
背景技术
1912年泰坦尼克号撞上冰山后一个月，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。
回声中所返回的信息的多样性和质量可以部分地由用于激励投影仪换能器的信号的特性来确定。获取这些信息的成本受到时间框(timeframe)的强烈影响，在时间框内需要人力和设备以获取该信息。
虽然在提高数据质量和多样性并且同时减少进行水下测量所需的时间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
本发明提供了一种测量系统，包括多波束回声测深器和/或其部分。在一个实施例中，本发明提供了一种用于在每个消息周期中执行多个任务的测量系统，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，用于与单个投影仪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一起使用；投影仪阵列，其相对于水听器阵列设置，以形成米尔斯交叉；收发器用于在具有相应带宽和中心频率的数量为N的多个非重叠频带下使用；收发器用于合成发射机消息，所述发射机消息包含来自每个频带的一个或多个信号，所述信号支持多个任务；并且所述消息用于激励投影仪阵列，以使得水体底部的条带被该消息中的每个信号声穿透，并且来自声穿透的散射中心的消息回声被返回到水听器阵列；其中，所述频带中的第一频带用于支持第一任务，所述频带中的第二频带用于支持第二任务，第一任务频带与第二任务频带被宽间隔隔开，以促进对声穿透的散射中心的一个或多个依赖于频率的特性进行测量系统识别。值得注意的是，测量数据可以从水体中的特征的声穿透中收集，包括任何海洋、海湾、峡湾、河口、湖泊、河流、通航水道、运河和港口。
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构成和使用本发明。
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1E示出了图1A的多波束回声测深器系统的至少一部分的实施例；
图2A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2B至图2E示出了包括具有不同频率的多个信号的消息，用于供图1A的系统多波束回声测深器系统使用；
图3A至图3D示出了由图1A的多波束回声测深器的多频消息声穿透的条带；
图4示出了将使用图1A的多波束回声测深器执行的测量任务的表；
图5示出了将使用图1A的多波束回声测深器执行的多任务测量的表；
图6A至图6G示出将使用图1A的多波束回声测深器执行的多任务测量。
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，包括有源装置的介入装置可以位于其间。
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，并描述了多波束回声测深器实施例。
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，其可以安装在水面车辆或船只、遥控车辆、自主水下车辆等上。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，例如，水听器(例如，换能器)，其接收与从回声测深器投影仪发出的声波/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。可以在以下一个或多个中找到散射中心：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。海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示出了第一多波束回声测深器系统(“MBES”)100B的部分。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。在此处，具有米尔斯交叉设置120的换能器包括发射机或投影仪阵列130和接收机或水听器阵列140。投影仪阵列中的投影仪可以沿着与安装其的车辆的龙骨线或轨道平行的线间隔开，这可以称为沿轨道设置。在一些实施例中，收发器122的接收机具有与投影仪和/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，从投影仪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，可能经历干扰压力波的传播轨迹的相互作用，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3,144,631的公开内容，该专利的全部内容实际上通过引用结合于此。
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传输到单个投影仪阵列130并从单个水听器阵列140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。
回声测深器还可以包括用于与收发器122互连的接口模块，例如，接口模块124。该接口模块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的通信，例如，同时期GPS数据源。
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，用于用户输入，并且用于显示任何输入、系统状态和勘测结果。
图1C示出了第二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。一些实施例包括接口部分190和/或管理部分192。
换能器部分包括用于生成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影仪阵列130和水听器阵列140。
投影仪阵列中的投影仪可以包括压电元件，例如，可以堆叠或不堆叠的陶瓷元件。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。一些投影仪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。
在投影仪阵列130和水听器阵列140的操作期间，发射机部分激励投影仪阵列，从投影仪阵列发出输出消息137，该消息在液体介质中行进到反射器或散射中心138，反射或散射，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可以包括传输消息137的扰动版本以及寄生信号和/或噪声内容。
传输部分150可以包括信号发生器块158、传输波束形成器块156、求和块154和功率放大器块152。传输部分生成信号，这些信号将用于构成消息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。在一个实施例中，以多个不同的中心频率Scf1、Scf2...生成和传输多个信号。
传输波束形成器块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。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，以激励或驱动投影仪阵列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，以另外根据往返行程时间确定深度，该往返行程时间基于将传输消息137与和水听器阵列输入136隔离的相应接收消息进行匹配。
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Fin(最高输入频率)小于Fs/2(转换器采样频率的一半)。在一个实施例中，以大约800kHz的最大频率工作的收发器122利用采样率为5MHz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，用于将多频消息分解成相应的中心频率S’cf1、S’cf2...的多个信号。
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，为每个频率S’cf1、S’cf2...提供波束形成器。例如，在软件流水线以两个频率操作的情况下，到第一波束形成器的输入是以第一频率工作的软件流水线，到第二波束形成器的输入是以第二频率工作的软件流水线。
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”)。
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和功率放大器块152、软件流水线块174、传输波束形成器块156、接收波束形成器块176、信号发生器块158、处理器块178中的一个或多个之间交换。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示出了第二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，包含具有N个相应不同的中心频率的数量N个信号的消息153用于激励投影仪阵列中的多个投影仪，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个频率中的每一个特有的回声信息。
发射机部分150用于激励投影仪阵列130。该部分包括信号发生器块158、传输波束形成器块156、求和块154和功率放大器块152。
信号发生器块158生成数量N个信号S1、S2...SN。信号具有可以以例如50至150kHz的间隔隔开的中心频率cf1、cf2...cfn。在一个实施例中，信号以至少100kHz的间隔隔开。
传输波束形成器块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，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包括用于驱动投影仪阵列130中的各个投影仪的数量S个放大器。每个功率放大器接收求和输出153，放大该信号，并用放大的信号驱动相应的投影仪。
数量T个水听器140的阵列用于接收源自投影仪阵列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具有N个频率的下变频和滤波。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个频率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以N＝2个频率操作的情况下，到第一波束形成器的输入是以第一频率a1、c1、e1操作的软件流水线，到第二波束形成器的输入是以第二频率b1、d1、f1操作的软件流水线。
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)、控制传输波束形成器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具有N个频率的信号的消息。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个频率中的每一个特有的回声信息。
图1E示出了第三多波束回声测深器系统(“MBES”)100E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，包含具有第一和第二不同中心频率N＝2的第一和第二信号Scd1、Scd2的消息153用于激励投影仪阵列中的三个投影仪，并且具有三个硬件管线和六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个频率中的每一个特有的回声信息。
发射机部分150用于激励投影仪阵列130。该部分包括信号发生器块158、传输波束形成器块、求和块154和功率放大器块152。
在信号发生器块158中，N＝2个信号发生器被示出为操作不同的用户可选中心频率f1、f2。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，波束组合，以产生求和块输出信号153。
换能器块120包括投影仪阵列130和水听器阵列140，该水听器阵列设置为米尔斯交叉。如图所示，投影仪阵列中有三个投影仪131，水听器阵列中有三个水听器141。在功率放大器块152中，求和信号或消息153是到驱动各个投影仪的功率放大器的输入。
申请人注意到，为了便于说明，投影仪和水听器的计数限于三个。如本领域技术人员将理解的，米尔斯交叉阵列不需要具有相等数量的投影仪和水听器，也不需要将这些换能器的数量限于三个。例如，现代多波束回声测深器可能使用1至96个或更多投影仪和64至256个或更多水听器。
T＝3个水听器阵列141用于接收源自投影仪阵列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，通过下变频和匹配滤波，通过N＝2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(为了清楚起见，未示出振荡器)、带通滤波器、抽取器和匹配滤波器提供顺序信号处理。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-D。
在接收波束形成器块176中，N＝2个波束形成器中的每一个处理信号。这样，第一中心频率的三个软件流水线输出由第一波束形成器处理，第二中心频率的三个软件流水线输出由第二波束形成器处理。值得注意的是，可以在硬件或软件中实现波束形成器。例如，可以在一个或多个现场可编程门阵列(“FPGA”)中实现多个波束形成器。
在处理器块178中，N＝2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。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，单个数字信号处理器(“DSP”)，或者在多个装置中实现，例如，多个数字信号处理器。
可以经由与多个传感器ES1、ES2、ES3接合的传感器接口部分190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)、控制传输波束形成器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-F的回声测深器系统可用于处理来自i)存在于水体的声穿透体积内、ii)位于底部的声穿透表面上或iii)位于底部的声穿透体积内的目标的水听器回波。
图2A至图2E示出了声脉冲(ping)周期，并描述了在声脉冲周期中传输的多频消息。
图2A示出了消息周期200A。该周期包括在时间t1期间传输消息和在时间t3期间接收消息的一系列操作。消息的传输是指激发投影仪阵列130的过程，消息的接收是指解释水听器阵列140接收的消息回声的补充过程。主要随着范围、角度和声速而变化的等待时间t2可以介于消息传输的结束和消息接收的开始之间。这个等待时间可以由最长探测距离的往返行程时间来确定，例如，来自由投影仪阵列声穿透的条带内的最远小区的回波。在一些实施例中，消息传输长度在10至60微秒的范围内。在一些实施例中，传输消息长度约为10毫秒。
图2B示出了第一多频消息200B。在所示的实施例中，消息包括三个信号，这些信号可以包括单个或多个波形。第一信号占据较低频带的至少一部分，例如，从100kHz延伸到200kHz的频带。第二信号占据中间频带的至少一部分，例如，从300kHz延伸到400kHz的频带。第三信号占据较高频带的至少一部分，例如，从500kHz延伸到600kHz的频带。该消息可以称为多频消息，在宽间隔频带中具有信号。信号所使用的频带可以称为信号频带，其中，在第一信号频带和最近的相邻第二信号频带之间存在间隙频带。
宽间隔的频带与窄间隔和最小间隔的频带形成对比。实际上，这种频带可以间隔开，刚好足以能够分离信号和/或防止干扰信号。在信号分离依赖于带通滤波器的情况下，带通滤波器的性能可以决定频带的最小间距。对于在100至400kHz范围内工作的声纳系统，频带间隔可以是大约1至3kHz、大约3至5kHz或大约5至10kHz。
在同一目标被窄间隔频带中的信号(例如，CW信号)声穿透的情况下，来自第一频带中的信号的反向散射特性与来自第二频带中的信号的反向散射特性非常相似。在此处，反向散射特性的差异(例如，反向散射强度)可能很小和/或超出检测范围。
最小化反向散射特性的差异是理想的结果，其中，测量员的目标是增加沿轨道的探测密度。在测量员的目标是利用相似的信号范围和相似的信号反向散射强度来简化测量数据标准化的过程的情况下，这也是理想的结果。然而，在宽间隔频带中的信号不满足这些目标。
与窄间隔频带中的信号不同，可以选择宽间隔频带中的信号来阐明后向散射器或回声源(例如，水体底部)呈现的频率相关差异。
此外，在反向散射响应与频率相关的情况下，可以使用宽间隔频带中的投影仪发射来引发可区分的反向散射响应。即使回声从相同的散射区域返回时，情况也可能如此。
在一个实施例中，包括相应信号的两个频带可以在其没有窄间隔时具有宽间隔。在一个实施例中，当包括相应信号的两个频带没有窄间隔时具有宽间隔。
在一个实施例中，当包括相应信号的两个频带的中心频率被最窄信号的带宽的至少两倍分开时，这两个频带具有宽间隔。并且，在一个实施例中，当包括相应信号的两个频带的中心频率被两个中心频率中的较低频率的至少30％分开时，这两个频带具有宽间隔。在一个实施例中，当满足这两个条件时，包括相应信号的两个频带具有宽间隔。
在一个实施例中，当可归因于第一信号的消息回声部分和可归因于第二信号的消息回声部分之间存在统计显著差异时，包括相应信号的两个频带具有宽间隔。可以向统计显著差异评估的回声特征包括平均反向散射强度、反向散射强度的角响应和最大检测范围。
在一个实施例中，当来自信号的基本上同时反向散射的强度相差规定量时，包括相应信号的两个频带具有宽间隔。值得注意的是，反向散射强度通常随着频率增加，而增加入射角会降低反向散射强度。在一些实施例中，可以比较角度平均反向散射强度，以指示频率是否具有宽间隔。在一些实施例中，特定入射角θ(例如，投影仪入射角)下的反向散射强度是上述比较的基础，大约2dB或更大的差异可能指示频率具有宽间隔。示例如下。
考虑包括频带Bx和By中的信号Sx和Sy的消息，其中，Bx是这两个频带中较低的一个。在具有公共入射角θ的反向散射信号强度BSx和BSy促使BSy超过BSx达到2dB或更大的情况下，频带具有宽间隔。在一个实施例中，消息的长度小于大约10毫秒。
上述方法中的任何一种或多种可用于确定频带是否具有宽间隔。
如下所述，消息内的信号数量和相应频带的间距可以变化，以适应特定的应用和环境条件。
图2C示出了第二多频消息200C。在所示的实施例中，消息包括三个信号，这些信号可以在时间上邻接、在时间上基本上邻接(例如，小于一个信号长度或最短的信号长度的大约百分之十的间隙)、或者在时间上间隔开(例如，一个信号长度或最短的信号长度的大约百分之十或更多的间隙)。在较低的频带中并且在时间ts1i开始的第一信号232在时间上随后是在中间频带中的第二信号234。第二信号在时间上随后是在时间ts3ii结束的高频带中的第三信号236。该图显示了带有串行或序列化信号的多频消息。
与图2C不同，图2D示出了在多个声脉冲200d中传送的多频消息。在所示的实施例中，消息包括三个信号，这三个信号不是在单个声脉冲消息中进行发送，而是在使用三个连续消息周期的多声脉冲消息中进行发送。这些消息周期可以在时间上邻接、在时间上基本上邻接(例如，小于一个信号长度或最短的信号长度的大约百分之十的间隙)、或者在时间上间隔开(例如，如图所示，一个信号长度或最短的信号长度的大约百分之十或更多的间隙)。在较低的频带中并且在时间tu1和tu2之间的第一信号(信号1)对应于第一声脉冲。，在中间频带中并且在时间tu3和tu4之间的第二信号(信号2)对应于第二声脉冲。在较高的频带中并且在时间tu5和tu6之间的第三信号(信号3)对应于第三声脉冲。
图2E示出了第三多频消息200E。在所示的实施例中，该消息包括三个信号，这三个信号在时间上与在ta开始的最早信号和在Tb结束的最晚信号重叠。在此处，较低频带中的第一信号242、中间频带中的第二信号244和高频带中的第三信号246示出了具有并行信号的多频消息。
图3A示出了通过具有串行化信号300A的多频消息对水体底部的声穿透。沿着多波束回声测深器车辆的轨道，三个条带通过包含三个信号的串行消息来声穿透。在此处，低频带条带通过低频带中的第一信号来声穿透，中频带条带通过中频带中的第二信号来声穿透，第三高频带条带通过高频带条带中的第三信号来声穿透。由于在时间上依次发射的信号以及声纳随时间沿着测量轨道的移动，条带沿着轨道移动。值得注意的是，由于信号频率和范围之间的(1/频率2)关系，低频带条带具有最大宽度w1，而高频带条带具有最小宽度w3(w1>w2和w2>w3)。此外，与较高频段相关联的条带在沿轨道方向上可能比较低频带的条带更窄。
图3B示出了通过具有并行信号300B的多频消息对水体底部的声穿透。沿着多波束回声测深仪平台的轨道，三个条带通过包含三个并行信号的信息来声穿透。在此处，低频带条带通过较低频带中的第一信号来声穿透，中频带条带通过中频带中的第二信号来声穿透，第三高频带条带通过较高频带条带中的第三信号来声穿透。因为消息包含并行信号，所以条带不会沿着轨道移动。相反，条带在空间上重叠，因为平行信号在时间上重叠(重叠)。
图3C示出了来自由多个条带共享的水体底部的一部分的回波，这些条带由具有并行信号300C的多频消息来声穿透。在此处，图3B的并行信号沿着相应的条带宽度w1、w2、w3使较低、中间和较高频带条带声穿透。因为平行信号消息避免了由于车辆运动而造成的条带位移，所以所有条带共有的条带区域为每个信号提供了共同的回声生成。这个公共区域在较高频段条带的区域322内。
图3D示出了通过具有并行信号300d的多频消息来声穿透的位于同一位置的条带。在此处，较低、中间和较高频带条带中的每一个共享公共宽度w。各种配置可以产生共同定位的条带。
在第一示例中，可以通过选择回声测深器接收波束成形176，来将条带共同定位到小于或等于较高频带条带宽度的条带或扇区宽度。在第二示例中，当在较高频率下明显的光栅波瓣限制可用的转向角时，条带可以位于同一位置。在第三示例中，当在浅水中操作时，条带可以位于同一位置，使得较高频率下的较高衰减不会限制检测范围。与每个频带相关联的波束宽度通常随频率而变化，较高的频率提供较高的角度分辨率。然而，通过禁用选定的阵列元件来改变传输和接收阵列的孔径，可以通过归一化为公共波束宽度来减轻频率依赖性。
图4示出了用于供多波束回声测深器400的各种任务和/或应用使用的信号类型和/或波形。如表中所示，信号类型包括CW(连续波)、FM(调频)、OSS(正交扩频)、PC(相位编码)、PT(脉冲序列)和LPI(低截获概率)。值得注意的是，调频包括线性FM或LFM。
测深和前看(forward-looking)任务可以使用CW、FM、OSS、PC、PT和LPI中的任何一种。成像任务可以使用CW、FM、OSS和PC中的任何一种，而浅底部剖面(sub-bottomprofiling)任务可以使用CW、FM、PC和PT中的任何一种。更多选择性的任务是可以使用CW、FM、OSS或PC的水柱任务、可以使用CW或FM的底部分类任务以及可以使用CW或PC的多普勒任务。
值得注意的是，如上所述，随着测量车辆沿着轨道前进，测量操作不需要限于单个任务或应用。相反，利用单个投影仪阵列和单个水听器阵列的本发明的多波束回声测深器的各种实施例可用于同时采集和处理多个任务的数据。随着测量车辆沿着轨道前进，可以执行的基本上同时的任务的数量可以等于或超过多波束回声测深器系统102容纳的非重叠信号频带的数量。
下面描述的多任务测量可以利用具有单个投影仪阵列和单个水听器阵列的多波束回声测深器系统102、100B-E，来在测量车辆沿着轨道行进时，基本上同时获取多任务测量数据(例如，单程测量数据)。在一些实施例中，基本上同时考虑测量车辆的运动和/或串行传输消息信号。
图5示出了示例性多任务测量500的多任务消息内容和消息结构表。从表中可以看出，使用多任务消息进行多任务测量，可以以特定方式构建该消息。
第一多任务测量包括第一测深任务和第二测深任务。通常不使用中间频带。
第一测深任务使用较低的频带，具有CW或FM信号。第二测深任务使用较高的频率带，具有CW或FM信号。这些信号可以在单个声脉冲消息中串行或并行。可以作为多声脉冲消息在各个声脉冲中发送这些信号。阅读了申请人的公开内容之后，熟练的技术人员将认识到这种多任务测量的优点，该多任务测量尤其解决了与选择高频(较高分辨率/较短距离)测量或低频(低分辨率/远程)测量中的一个或另一个相关的长期问题。在一个实施例中，频带具有宽间隔，在其间具有带隙。
第二多任务测量包括第一水体底部或海底表征任务和第二水体底部或海底表征任务。通常，可以使用中间频带。
第一水体底部任务使用较低频带，具有CW信号。第二水体底部任务使用较高频带，具有CW信号。这些信号可以在单个声脉冲消息中并行。可以在多声脉冲消息中的相应声脉冲中传输这些信号。阅读了申请人的公开内容之后，熟练的技术人员将认识到这种多任务测量的优点，该多任务测量尤其解决了与获得足够用于分割和/或分类水体底面和/或水体底部地下的测量数据相关联的长期问题，其中，回声响应随声纳频率而变化。单个声脉冲消息中的并行信号明显有益于底部分割和/或底部分类测量任务，这些并行信号提供来自相同反向散射器的具有多个频率的回声(例如，参见图3B-3D)。
第三多任务测量包括第一水体底部表征或分割任务和第二测深任务。通常，可以使用中间频带。
第一水体底部表征或分割任务使用较低频带，具有CW信号，或者在一些实施例中，具有两个或三个CW信号。第二测深任务使用较高频带，具有FM信号。这些信号可以在单个声脉冲中串行或并行。可以在多声脉冲消息中的相应声脉冲中发送这些信号。阅读了申请人的公开内容之后，熟练的技术人员将认识到这种多任务测量的优点，这种多任务测量尤其解决了与获得测量数据相关联的长期问题，该测量数据可用于在单程中表征或分割水体底部和测深。
第四多任务测量包括第一多普勒导航任务和第二多风扇测深任务。通常，不使用中间频带。多风扇可以指包括第一风扇和在第一风扇前和/或后转向的一个或多个额外风扇的多个准平行风扇或条带。例如，多风扇任务可能使用中央与龙骨线垂直风扇(athwartship fan)以及和该与龙骨线垂直风扇的两侧准平行的风扇。
第一多普勒导航任务使用较低的频带，具有相位编码信号，例如，巴克码。第二多风扇测深任务使用较高的频带，具有扩频信号，例如，正交编码脉冲OCP。这些信号可以在单个声脉冲中串行。因为OCP信号是通过其编码模式来区分的，所以这些编码信号中的多个编码信号可以用来使相应的平行或稍微平行的条带在风扇状设置中声穿透。使用代码模式区分OCP信号的回波。这些信号可以在单次声脉冲中串行，或者在多声脉冲消息中的相应声脉冲中发送。阅读了申请人的公开内容之后，熟练的技术人员将认识到这种多任务测量的优点，该多任务测量尤其解决了与沿轨道探测密度、多方面多波束测量以及并行测深和导航操作相关联的长期问题。
第五多任务测量包括第一浅底部剖面任务和第二测深任务。通常，可以使用中间频带。
第一水体底部任务使用较低频带，具有CW信号。第二水体底部任务使用较高频带，具有CW信号。这些信号可以在单个声脉冲消息中并行。可以在多声脉冲消息中的相应声脉冲中发送这些信号。阅读了申请人的公开内容之后，熟练的技术人员将认识到这种多任务测量的优点，该多任务测量尤其解决了与获得足以用于浅底部剖面和测深的测量数据相关联的长期问题。浅底部剖面信号和测深信号的并行传输显著有益于浅底部剖面，使得信号从相同的反向散射器返回(例如，参见图3B-3D)。
第六多任务测量包括第一水柱表征任务和第二水柱表征任务。通常，可以使用中间频带。
第一水柱任务使用较低频带，具有CW或FM信号。第二水柱任务使用较高频带，具有CW或FM信号。这些信号可以在单个声脉冲消息中串行或并行。可以在多声脉冲消息中的相应声脉冲中发送这些信号。阅读了申请人的公开内容之后，熟练的技术人员将认识到这种多任务测量的优点，该多任务测量尤其解决了与获得足以用于分割和/或分类水柱散射器的水柱数据相关联的长期问题，其中，回声响应随声纳频率而变化。单个声脉冲消息中的并行信号显著有益于水柱分割和/或水柱分类任务，这些并行信号提供来自相同反向散射器的具有多个频率的回声。
第七多任务测量包括第一水柱表征或分割任务和第二测深任务。通常，可以使用中间频带。
第一水柱表征或分割任务使用较低的频带，具有CW或FM信号，或者在一些实施例中，具有两个或三个CW或FM信号。第二测深任务使用较高频带，具有FM信号。这些信号可以在单个声脉冲中串行或并行。可以在多声脉冲消息中的相应声脉冲中发送这些信号。阅读了申请人的公开内容之后，熟练的技术人员将认识到这种多任务测量的优点，该多任务测量尤其解决了与获得测量数据相关联的长期问题，该测量数据可用于在单程中表征或分割水柱和测深。
图6A至图6G示出了用于多任务测量600A600G的具有特定信号频率的示例性消息。
图6A示出了包括第一远程测深任务和第二高分辨率测深任务600A的第一多任务测量。
第一远程测深任务使用较低频带，CW或FM信号的中心频率约为200kHz，带宽分别约为5至30kHz和约30至60kHz。
第二高分辨率测深任务使用较高频带，CW或FM信号的中心频率约为700kHz，相应带宽约为20至60kHz和约20至60kHz。这些信号可以在单个声脉冲消息中并行(如图所示)。可以在多声脉冲消息中的相应声脉冲中发送这些信号。
图6B示出了包括三个底部表征或分割任务600B的第二多任务测量。
第一底部表征或分割任务使用较低频带，CW信号具有约50kHz的中心频率和约2至10kHz的带宽。
第二底部表征或分割任务使用中频带，CW信号具有约100kHz的中心频率和约2至10kHz的带宽。
第三底部表征或分割任务使用较高频带，CW信号具有约150kHz的中心频率和约2至10kHz的带宽。可以在单个声脉冲消息中并行(如图所示)这些信号。可以在多声脉冲消息中的相应声脉冲中发送这些信号。
50、100、150kHz的这些中心频率可能会发生偏移，以避免谐波。例如，在50kHz的中心频率位于第一频带的中心的情况下，可以通过将50kHz的中心频率移动接近第一频带宽度的频率增量来避免一次谐波。例如，在150kHz的中心频率位于第二频带的中心的情况下，可以通过将150kHz的中心频率移动接近第二频带宽度的频率增量来避免二次谐波。如本领域技术人员将理解的，对上述中心频率的其他类似改变可以避免谐波。
图6C示出了第三多任务测量，包括第一底部表征或分割任务和第二测深任务600C。
第一底部表征或分割任务使用较低频带，三个CW信号具有约50、150、250kHz的相应的中心频率。如上所述，这些中心频率可能会发生偏移，以避免谐波。在此处，在相应频段中的多个信号用于完成单个任务的情况下，这个任务可以称为多频段任务。
第二测深任务使用较高的频带，FM信号的中心频率约为400kHz，带宽约为30至60kHz。这些信号可以在单个声脉冲消息中串行或并行(如图所示)。可以在多声脉冲消息中的相应声脉冲中发送这些信号。值得注意的是，短语“关于...kHz”是指与用于测深和/或底部分割的现代声纳设备生成、传输、接收和/或分解信号相关联的制造和操作公差。
图6D示出了包括第一导航任务和第二测深任务600D的第四多任务测量。
第一导航任务使用较低的频带，相位编码信号的中心频率约为100kHz，带宽约为60kHz。
第二测深任务使用较高频带，三个OSS信号的中心频率为400kHz。OSS信号可以具有相似的带宽，并且占用带宽约为100kHz的公共频带。在此处，多个OSS信号占据一个公共频带的情况下，这可以称为多信号频带，该频带内的信号可以称为信号包。
可以在具有并行和串行组合格式的消息中发送这些信号，其中，发送测深任务信号，在测深信号之前或之后发送导航信号。
图6E示出了包括第一浅底部剖面任务和第二测深任务600E的第五多任务测量。
第一浅底部剖面任务使用较低的频带，CW信号的中心频率在大约10到30kHz的范围内，在此处是15kHz，带宽大约为1kHz。
第二测深任务使用较高频带，CW信号的中心频率约为200kHz，带宽约为20至60kHz。这些信号可以在单个声脉冲消息中并行(如图所示)。可以在多声脉冲消息中的相应声脉冲中发送这些信号。
图6F示出了包括第一水柱任务和第二水柱任务600F的第六多任务测量。
第一水柱任务利用了一个较低的频带，其中，CW或FM信号的中心频率约为100kHz，相应带宽约为10至20kHz和约10至30kHz。
第二水柱任务使用较高频带，CW或FM信号的中心频率约为150kHz，相应带宽约为10至20kHz和约10至30kHz。这些信号可以在单个声脉冲消息中并行(如图所示)。可以在多声脉冲消息中的相应声脉冲中发送这些信号。
图6G示出了包括第一水柱任务和第二测深任务600G的第七多任务测量。
第一水柱任务使用较低频带，CW或FM信号的中心频率约为100kHz，相应带宽约为10至30kHz和约30至60kHz。
第二测深任务使用较高频带，CW或FM信号的中心频率约为400kHz，相应带宽约为20至60kHz和约30至60kHz。这些信号可以在单个声脉冲消息中并行(如图所示)。可以在多声脉冲消息中的相应声脉冲中发送这些信号。申请人注意到，结合图6A至图6E提到的信号的中心频率是示例。在各种实施例中，这些中心频率可以在+/-5％、+/-10％、+/-25％和/或+/-50％的范围内变化。申请人注意到，结合图6A至图6E提到的信号的带宽是示例。在各种实施例中，这些带宽可以在+/-5％、+/-10％、+/-25％和/或+/-50％的范围内变化。
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，显而易见的是，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 (31)

1.一种用于在每个消息周期中执行多个任务的测量系统，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，用于与供单个投影仪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一起使用；
投影仪阵列，其相对于水听器阵列设置，以形成米尔斯交叉；
用于在具有相应带宽和中心频率的数量为N的多个非重叠频带下使用的收发器；
用于合成发射机消息的收发器，所述发射机消息包含来自每个频带的一个或多个信号，所述信号支持多个任务；以及
用于激励所述投影仪阵列的消息，以使得水体底部的条带被该消息中的每个信号声穿透，并且来自声穿透的散射中心的消息回声被返回到水听器阵列；
其中，所述频带中的第一频带用于支持第一任务，所述频带中的第二频带用于支持第二任务，所述第一任务频带与所述第二任务频带被宽间隔隔开，以促进对所述声穿透的散射中心的一个或多个依赖于频率的特性进行测量系统识别。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述散射中心包括以下各项中的一个或多个：位于所述水体底部的表面散射中心、位于水体浅底部的体积散射中心和位于水体水柱中的体积散射中心。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其中，促进了对相对于垂线具有特定投影角度的反向散射强度的测量系统识别。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其中，促进了对平均角度反向散射强度的测量系统识别。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述中心频率中的任意两个中心频率被相应信号带宽中最窄的带宽的至少两倍或者该任意两个中心频率中较低的频率的至少30％分开。
6.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述水柱或水体底部被消息中的所述信号中的每个信号基本上同时声穿透。
7.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述水柱或水体底部在单个消息周期中或多个消息周期中被串联地声穿透。
8.根据权利要求1所述的测量系统，
在发射机中，还包括：N个信号发生器，用于生成包括在所述消息中的信号；以及
在接收机中，针对每个水听器还包括：并行输入滤波器组，所述并行输入滤波器组包括具有对应于所述频带中心频率的相应中心频率的、N个数字实现的带通滤波器。
9.根据权利要求1所述的测量系统，还包括：
用于测深的第一任务设施和用于测深的第二任务设施；
所述第一任务设施使用所述频带中以较低频率为中心的一个频带；并且，
所述第二任务设施使用所述频带中以较高频率为中心的一个频带；
其中，该较低频带的中心频率低于该较高频带的中心频率。
10.根据权利要求9所述的测量系统，其中：
该较低频带具有180-450kHz范围内的中心频率，用于对具有第一穿越轨道波束宽度和第一穿越轨道条带宽度的条带进行声穿透；并且，
该较高频带具有650-850kHz范围内的中心频率，用于对具有第二穿越轨道波束宽度和第二穿越轨道波束宽度的条带进行声穿透，其中，第一条带宽度大于第二条带宽度，第二波束宽度小于第一波束宽度。
11.根据权利要求10所述的测量系统，其中，所述消息包括连续波信号和调频信号中的一个或两个。
12.根据权利要求9所述的测量系统，其中，所述消息包括正交扩频信号。
13.根据权利要求9所述的测量系统，其中，所述消息包括相位编码信号。
14.根据权利要求9所述的测量系统，其中，所述消息包括脉冲串信号。
15.根据权利要求9所述的测量系统，其中，所述消息包括低截获概率信号。
16.根据权利要求9所述的测量系统，其中，所述消息回声包括来自第一任务回声源的第一任务反向散射和来自第二任务回声源的第二任务反向散射，所述第二任务回声源是所述第一任务回声源的子集。
17.根据权利要求8所述的测量系统，还包括：
用于水体底部分割或表征的第一任务设施、第二任务设施和第三任务设施；
所述第一任务设施使用所述频带中在第一频率范围内的第一频带；
所述第二任务设施使用所述频带中在第二频率范围内的第二频带；并且，
所述第三任务设施使用所述频带中在第三频率范围内的第三频带；
其中，所述第二频带的中心频率高于所述第一频带的中心频率并且低于所述第三频带的中心频率。
18.根据权利要求17所述的测量系统，其中，反向散射的依赖于频率的特性之间的统计显著差异用于将由传输消息产生的反向散射数据解构为对应于所述第一任务、所述第二任务和所述第三任务的反向散射数据集。
19.根据权利要求17所述的测量系统，其中，所述第一频带、所述第二频带和所述第三频带中的信号中的每一个是连续波信号。
20.根据权利要求18所述的测量系统，其中，所述第一频带以大约100kHz为中心，所述第二频带以大约200kHz为中心，并且所述第三频带以大约400kHz为中心。
21.根据权利要求20所述的测量系统，其中，所述水体底部分割或表征基于来自所述底部的区域的回声，所述底部的该区域是所述第一频带的信号、所述第二频带的信号和所述第三频带的信号共有的。
22.根据权利要求20所述的测量系统，
针对每个信号，还包括：从反向散射数据导出的对应的反向散射数据集；
对于所述第一频带、所述第二频带或所述第三频带中的信号中的一个信号，对应的反向散射数据集用于沿着由该信号声穿透的条带以一定间隔分割所述水体底部；
对于所述第一频带、所述第二频带或所述第三频带中的信号中的另一信号，对应的反向散射数据集用于细化较早的分割；并且，
对于所述第一频带、所述第二频带或所述第三频带中的信号中的另一信号，对应的反向散射数据集用于细化较早的分割中的至少一个。
23.根据权利要求17所述的测量系统，还包括：
用于测深的第四任务设施；并且，
所述第四任务设施使用所述频带中在第四频率范围内的第四频带；
其中，所述第四频带的中心频率高于所述第三频带的中心频率。
24.根据权利要求23所述的测量系统，其中，所述第一频带、所述第二频带和所述第三频带中的信号中的每一个是连续波信号，并且所述第四频带中的信号是调频信号。
25.根据权利要求24所述的测量系统，其中，所述第一频带以大约50kHz为中心，所述第二频带以大约150kHz为中心，所述第三频带以大约250kHz为中心，并且所述第四频带以大约400kHz为中心。
26.根据权利要求25所述的测量系统，其中，所述水体底部分割或表征基于来自所述底部中所述第一频带的信号、所述第二频带的信号、所述第三频带的信号和所述第四频带的信号所共有的区域的回声。
27.根据权利要求8所述的测量系统，还包括：
用于导航的第一任务设施和用于测深的第二任务设施；
所述第一任务设施使用所述频带中在第一频率范围内的第一频带；并且，
所述第二任务设施使用所述频带中在第二频率范围内的第二频带；
其中，所述第二频带的中心频率高于所述第一频带的中心频率。
28.根据权利要求27所述的测量系统，其中，在所述第一频带中存在至少一个相位编码信号，并且在所述第二频带中存在多个正交扩频信号。
29.根据权利要求28所述的测量系统，其中，所述第一频带的中心在180kHz至450kHz之间，并且所述第二频带的中心在650kHz至850kHz之间。
30.根据权利要求1所述的测量系统，还包括：
用于浅底部剖面的第一任务设施和用于测深的第二任务设施；
所述第一任务设施使用所述频带中以较低频率为中心的一个频带；并且，
所述第二任务设施使用所述频带中以较高频率为中心的一个频带；
其中，该较低频带的中心频率低于该较高频带的中心频率。
31.根据权利要求30所述的测量系统，其中，该较低中心频率在大约10kHz至30kHz的范围内，并且该较高中心频率在大约100kHz至400kHz的范围内。
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