多任务和多频谱声纳制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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。
本专利技术涉及水下声学系统、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，本专利技术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。
技术介绍
1912年泰坦尼克号撞上冰山后一个月，英国气象学家LewisRichardson向英国专利局申请了水下测距装置的专利。Richardson专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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专利技术。这些附图包含在本文中并构成说明书的一部分，说明了本专利技术的实施例，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专利技术。图1A示出了包括本专利技术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专利技术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专利技术的某些实施例，而不应用于限制所公开的专利技术。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示出了根据本专利技术实施例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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.29 US 62/329,631;2017.03.31 US 15/476,1371.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：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，
申请(专利权)人：R二索尼克有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US