压缩声纳数据的方法技术

本公开涉及压缩声纳数据的方法。在使用大阵列多元声纳探测器的声纳系统中，在将原始数据发送到波束形成器以将原始数据转换为与反射声纳信号的物体的空间位置有关的信息之前，对于多元阵列中的各个探测器，使原始相位与强度数据减少到小于每通道每片段3位。

Method of Compressing Sonar Data

【技术实现步骤摘要】
压缩声纳数据的方法相关专利与申请下列美国专利和美国专利申请与本申请相关：于8月20日授予Hansen等人的US6,438,071；于2008年12月16日授予Hansen的US7,466,628；于2009年2月10日授予Hansen的US7,489,592；于2011年11月15日授予Sloss的US8,059,486；于2011年3月1日授予Sloss的US7,898,902；2014年10月7日授予Sloss的US8,854,920；以及于2015年4月28日授予Sloss的US9,019,795。由Sloss于2015年10月30日提交的美国专利申请14/927,748和14/927,730也与本申请相关。上述专利和专利申请转让给本专利技术的受让人，并且通过引用的方式全部(包括所包含的材料)并入本文中。
本专利技术的领域是来自从表面散射的声纳信号的稀疏数据的传输和/或存储的领域。
技术介绍
本专利技术的目的在于，测量从水听器(hydrophone)阵列接收到的模拟信号，并且在将信号发送到波束形成系统或数字存储设备之前，将来自测得的模拟信号的数据转换成大大减少的数字数据信号集。
技术实现思路
通过引导在物体处的声纳脉冲并记录从具有声纳成像阵列的物体反射的声纳信号，来使浸入流体的一个或多个物体成像。从反射的声纳信号计算得到的数据用于产生物体的声纳图像。将来自声纳成像阵列的原始数据发送到波束形成器，该波束形成器将由声纳成像阵列测量得到的干涉反射声波的相位和强度转换成物体反射声纳脉冲的物理空间内的点。波束形成器有利地与声纳阵列分开，并且阵列与波束形成器之间的数据链路可以具有有限的数据传输带宽。声纳阵列有利地包含在遥控式水下机器人(ROV)中，该遥控式水下机器人可具有有限的数据记录能力。在这两种情况下，有利地处理原始数据，以便在仅略微降低最终波束形成的声纳图像的同时，大大减少传输或存储的原始数据量。附图说明图1示出了发送声纳波到表面的声纳源和接收来自该表面的反射声纳信号的声纳阵列接收设备的示意图。图2示出了现有技术流程，详细描述了从水听器大阵列接收电模拟信号并产生数字数据的原始数据集以便传输至波束形成器设备的过程步骤。图3示出了现有技术流程，详细描述了从水听器大阵列接收原始数字数据并利用波束形成器产生声纳图像的过程步骤。图4A和图4B示出了针对反射声波的单个时间片段内的单行计算得到的声纳信号的实数部分和虚数部分的原始数据数字数据记录。图4C示出了针对图4A和图4B的单行和单个片段数据计算得到的声波强度的原始数据数字数据记录。图4D示出了单个ping脉冲中所有片段的平均片段强度和片段号(时间)的原始数据。图5示出了本专利技术的一种优选方法的流程图。图6A示出了针对反射声波的单个片段记录的12位原始相位数据和强度原始数据、以及由这12位数据波束形成的图像数据。图6B示出了针对反射声波的单个片段记录的仅4相位(即2位)的原始数据、以及由这12位数据波束形成的图像数据。图6C示出了波束形成器使用所有的12位实数数据、12位虚数数据计算得到的海床的表示。图7A和图7B示出了波束形成的图像，其中12位原始数据是波束形成的并且在波束形成之后通过两种压缩技术进行压缩。图7C和图7D示出波束形成的图像，其中2位原始数据(4个相位)是波束形成的并且在波束形成之后通过两种压缩技术进行压缩。图8示出了发送传出声纳波束的圆锥形空间的示意图。图9A示出了现有技术放大器电路和现有技术的ADC的示意图。图9B示出了本专利技术的一种优选方法的1位比较器电路的示意图。图9C示出了本专利技术的一种优选方法的1位(实数、虚数)比较器电路的示意图。图9D示出了具有定时和锁存信号的图9C的电路的示意图。图10示出了图9D的电路的输入和输出，示出了由电路系统返回的4个相位。图11示出了具有定时和锁存信号的图9B的电路的示意图，该定时和锁存信号用于仅产生用于传输到波束形成器的两个相位或发送到存储器。具体实施方式众所周知，以视觉形式呈现的数据比以表格、图形、文本等形式呈现的数据使人们更好理解。然而，即使在视觉上将数据呈现为条形图、线形图、映射图或地形图，也需要经验和训练来解释这些数据。但是，人们可以立即识别并理解即使最好且最快的计算机也无法选出的视觉图像中的图案。因此，在将数据转换成图像上做出了许多努力。特别是，很难产生由与光无关的数据生成的图像。其中一种这种类型的数据是声纳数据，其中将声纳信号脉冲从发生器发送到一流体体积，并且通过一个或多个探测器元件记录来自被声能穿透(insonified)的体积中的物体的反射声音能量。术语“被声能穿透的体积”是本领域技术人员熟知的，并且在本文中定义为声波被引导穿过的一定流体体积。在本专利技术中，发出称为ping脉冲(ping)的声波的声纳信号脉冲，使该声纳信号脉冲对大致呈锥形体积的水进行声能穿透。图1示出了带有水下的超声波声纳发生器或ping脉冲发生器12的船舶10的示意图。传出ping脉冲的传出声波13冲击悬浮在水中悬浮的物体14上，声波16被反射回多元声纳探测器19。物体14可以悬浮在水中、位于海床15上或者埋在海床15中。声波17也图示为从海床15反射到声纳探测器19。声波16和17还可以从水的表面11再次反射(未示出)。可以发出具有传出ping脉冲频率Pf的一系列传出ping脉冲。声纳ping脉冲通常具有恒定的声音频率f。(有时，在现有技术中，在称为啁啾ping脉冲信号的方法中的脉冲期间，频率f会发生变化，其中在整个脉冲中的ping脉冲频率单调增加或减小。)主振荡器(未示出)产生频率为f的方波电压输出，并且ping脉冲发生器使用主振荡器产生与主振荡器同相的输出正弦声波。传出ping脉冲长度lp和传出ping脉冲时间tp均与声音在水中的速度有关。常规的传出ping脉冲长度lp为大约15米。可以发出具有传出ping脉冲频率Pf的一系列传出ping脉冲。声波13图示为朝着物体14传播的锥形波束。通过多元声纳探测器阵列19中的各个探测器元件接收反射声波16，该多元声纳探测器阵列19测量各个元件处的反射ping脉冲声波的压力，并返回表示冲击该元件的声波的振幅和时间的电模拟信号。反射ping脉冲信号可以细分成具有片段时间ts的一系列片段。对来自各个元件的电模拟信号进行数字化处理，以产生表示多元探测器中的各个探测器处的反射声纳波相位和强度的原始数据。主振荡器方波用于提供频率为主振荡器方波的边缘的4f倍的脉冲，因此以主振荡器的0、90、180、270度的相位对各个探测器处的接收信号进行采样。在0和180度的样品给出反射声波相对于主振荡器的相位的实数部分，而在90和270度的样品给出虚数部分。反射ping脉冲信号可以细分成具有片段时间ts和片段长度ls的一系列片段。常规的片段长度ls是4cm，并且常规的ping脉冲长度lp是大约15米。然后，利用波束形成器程序对数字化的数据进行转换，以根据范围和来自探测器的两个正交角度提供三维空间极坐标中的点。极坐标空间中的这些点通常又表示为三维笛卡尔坐标空间中的数据。然后，点数据可以表示为例如海床上方的高度或表面下方的深度，以作为“z”坐标；而例如，x和y坐标可以选择作为西方和北方。在其它示例中，x或y坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，其包括如下步骤：a)对流体体积进行声能穿透，其中，所述流体体积包含零个以上物体，并且其中，利用一个或一系列传出声纳ping脉冲来对所述流体体积进行声能穿透，各个传出声纳ping脉冲具有ping脉冲时间tP，其中，所述ping脉冲时间tP确定ping脉冲长度lP，其中，各个声纳ping脉冲具有ping脉冲频率fp，其中，所述ping脉冲频率fp能够在所述ping脉冲时间tP的持续期间变化；然后b)针对所述一个或一系列ping脉冲中的各个ping脉冲接收从一个或多个物体反射的反射声纳信号，其中，所述反射声纳信号是由水听器大阵列来接收的，并且其中，所述水听器大阵列中的各个水听器产生电模拟信号，所述电模拟信号测量由所述水听器大阵列中的各个水听器接收到的声纳信号的随时间变化的压力；以及然后c)转换所述电模拟信号，以提供所述电模拟信号的原始数据数字记录；d)其中，所述反射声纳信号具有ping脉冲长度lP，其中，所述ping脉冲长度lP被分为多个ping脉冲片段，各个ping脉冲片段具有片段长度ls，其中，ls是由指定分辨率确定的，其中，所述原始数据数字记录包括接收到的声纳信号相对于一部分传出声纳ping脉冲的相位的相对相位θijS，其中，所述相对相位θijS是针对各个水听器i,j和各个ping脉冲片段记录的，针对各个ping脉冲片段和各个水听器用单个数字量表示所述相对相位θijS，并且其中，θijS是位长度小于4的数字量，然后；i)将所述原始数据数字记录存储到计算机可读存储设备中，或者ii)将所述原始数据数字记录发送到声纳图像波束形成器。...

【技术特征摘要】
2018.02.28 US 15/908,3951.一种方法，其包括如下步骤：a)对流体体积进行声能穿透，其中，所述流体体积包含零个以上物体，并且其中，利用一个或一系列传出声纳ping脉冲来对所述流体体积进行声能穿透，各个传出声纳ping脉冲具有ping脉冲时间tP，其中，所述ping脉冲时间tP确定ping脉冲长度lP，其中，各个声纳ping脉冲具有ping脉冲频率fp，其中，所述ping脉冲频率fp能够在所述ping脉冲时间tP的持续期间变化；然后b)针对所述一个或一系列ping脉冲中的各个ping脉冲接收从一个或多个物体反射的反射声纳信号，其中，所述反射声纳信号是由水听器大阵列来接收的，并且其中，所述水听器大阵列中的各个水听器产生电模拟信号，所述电模拟信号测量由所述水听器大阵列中的各个水听器接收到的声纳信号的随时间变化的压力；以及然后c)转换所述电模拟信号，以提供所述电模拟信号的原始数据数字记录；d)其中，所述反射声纳信号具有ping脉冲长度lP，其中，所述ping脉冲长度lP被分为多个ping脉冲片段，各个ping脉冲片段具有片段长度ls，其中，ls是由指定分辨率确定的，其中，所述原始数据数字记录包括接收到的声纳信号相对于一部分传出声纳ping脉冲的相位的相对相位θijS，其中，所述相对相位θijS是针对各个水听器i,j和各个ping脉冲片段记录的，针对各个ping脉冲片段和各个水听器用单个数字量表示所述相对相位θijS，并且其中，θijS是位长度小于4的数字量，然后；i)将所述原始数据数字记录存储到计算机可读存储设备中，或者ii)将所述原始数据数字记录发送到声纳图像波束形成器。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水听器大阵列被排列成具有m×n个元素的二维平面阵列，其中m和n都大于24。3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤d)还包括如下步骤：其中，所述原始数据数字记录对于各个ping脉冲片段包含由单个数字量表示的片段振幅。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述片段振幅的测量使用如下的水听器或水听器组，该水听器或水听器组的面积等于或大于构成所述水听器大阵列的单个水听器的面积。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述片段振幅的测量使用如下的水听器或水听器组，该水听器或水听器组的面积介于构成所述水听器大阵列的单个水听器的面积的两倍至九倍之间。6.一种方法，其包括如下步骤：a)对流体体积进行声能穿透，其中，所述流体体积包含零个以上的物体，并且其中，利用一个或一系列传出声纳ping脉冲来对所述流体体积进行声能穿透，各个传出声纳ping脉冲具有ping脉冲时间tP，其中，所述ping脉冲时间tP确定ping脉冲长度lP，其中，各个声纳ping脉冲具有ping脉冲频率fp，其中，所述ping脉冲频率fp能够在所述ping脉冲时间tP的持续期间变化；然后b)针对所...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·斯洛斯，
申请(专利权)人：科达澳克托普斯集团公司，
类型：发明
国别省市：美国,US