CN101542312A - 装配于船只的水下声纳系统 - Google Patents

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CN101542312A CNA2007800436555A CN200780043655A CN101542312A CN 101542312 A CN101542312 A CN 101542312A CN A2007800436555 A CNA2007800436555 A CN A2007800436555A CN 200780043655 A CN200780043655 A CN 200780043655A CN 101542312 A CN101542312 A CN 101542312A
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Abstract

用于检测水下物体的方法和设备，包括：基本垂直地并且向前面对装配在船首上的超声波发射器元件的伸长阵列，从中发射超声波脉冲序列，每个脉冲具有与序列中前一个脉冲的频率和垂直波束角不同的频率和垂直波束角，频率是垂直波束角的特征，并且通过使用不同发射器元件之间的时延来控制垂直波束角；以及基本水平地装配在船首上的超声波接收器元件的伸长阵列，接收器元件向前面对，接收从船只前面的物体反射的任何超声波，使用不同接收器元件输出之间的时延来水平地控制来自接收器元件的输出，并且对于输出的波束的每个水平位置，在波束形成器中对具有与输出的波束的该水平位置相关的那些时延的来自接收器元件的输出求和。

Description

装配于船只的水下声纳系统
技术领域
本发明涉及声纳系统，并且特别涉及检测水下物体的过程和具有水下声纳系统的船只。
背景技术
声纳系统用于检测水下物体是公知的。
根据WO 03/001231，在较大的商业和休闲船舶中使用的能够产生三维图像的一种类型的声纳系统生成平面波束脉冲信号，并且使用与其垂直的平面接收“波束”接收回波。它宣称这允许该系统选择特定的球面角“像素”，当该特定的球面角“像素”与返回反射时间相结合时，允许三维信息的构建。该系统据说为下视并用于水底测绘。因为必须调整发射功率以将发出的信号形成波束，所以据说该系统很昂贵。作为WO03/001231的主题的系统使用米尔斯十字干涉方法来成像船前面或侧面的水体。所述的米尔斯十字技术在水听器接收器的L型阵列的每个腿上使用例如8个通道，这据说提供64个接收水听器的完整阵列的分辨率。在WO 03/01231中，使用例如网络的通信系统来处理图像数据。
公开的美国专利申请2005/0099887涉及用于导航的具有固定参考框架的3D前视声纳。根据该文献，在前视声纳中，发射换能器将信号投射到船舶前面的水中，并且接收传感器的相控阵列提供信号至计算机以确定到达的方位角和仰角以及到达时间。该声纳装备有倾斜和左右摇摆传感器，并且可以与GPS和罗盘接口以允许以相对于地球固定的参考框架来创建船舶前面的3D图像。该系统示例为具有换能器阵列以收集声学反射信号。如果全部或一些接收换能器通过发射/接收(T/R)开关而被用作全部或部分发射阵列，那么该阵列一定是二维阵列。
公开的美国专利申请2003/0214880涉及通过频率形成技术形成多个发射和/或接收声学波束的声纳阵列。根据该文献(摘要)，在频分波束形成中，通过由领先或滞后其最近邻固定相移的信号驱动(接收)均匀间隔的线阵列的每个元素，来使得波束控制方向成为频率的函数。
存在对用于检测水下物体的系统的需要。
发明内容
由此，根据本发明，提供了一种用于检测水下物体的方法，包括：
(a)提供具有水下声纳系统的船只，所述水下声纳系统包括超声波发射器元件的伸长阵列和超声波接收器元件的伸长阵列，其中发射器元件的阵列基本垂直地并且向前面对装配在船首上，从而在使用中发射器元件在船只行进的方向上以波束发射超声波脉冲，并且接收器元件的阵列基本水平地装配在船首上，接收器元件向前面对以接收从船只前面的物体反射的任何超声波；
(b)从发射器元件发射超声波脉冲序列，每个脉冲具有与序列中前一个脉冲的频率和垂直波束角不同的频率和垂直波束角，频率是垂直波束角的特征，并且通过使用不同发射器元件发射的超声波之间的时延来控制垂直波束角；
(c)通过接收器元件接收从船只前面的物体反射的任何超声波；通过使用不同接收器元件输出之间的时延来水平地控制来自接收器元件的输出的波束，并且对于输出的波束的每个水平位置，在波束形成器中对具有与输出的波束的该水平位置相关的那些时延的来自接收器元件的输出求和；以及
(d)从来自接收器元件的求和的输出确定船只前面的任何物体的三维坐标。
此外，根据本发明提供了一种具有水下声纳系统的船只，所述水下声纳系统包括超声波发射器元件的伸长阵列和超声波接收器元件的伸长阵列，其特征在于：
(i)发射器元件的阵列基本垂直地并且向前面对装配在船首上，并且被改编为使得在使用中发射器元件发射超声波脉冲序列，每个脉冲在船只的行进方向上的波束中，每个脉冲具有与序列中前一个脉冲的频率和垂直波束角不同的频率和垂直波束角，频率是垂直波束角的特征，并且通过使用不同发射器元件发射的超声波之间的时延来控制垂直波束角，以及
(ii)接收器元件的阵列基本水平地装配在所述船首上，接收器元件向前面对以接收从船只前面的物体反射的任何超声波，并且接收器元件的阵列被改编为使得在使用中通过使用不同接收器元件输出之间的时延来水平地控制来自接收器元件的输出的波束，并且对于输出的波束的每个水平位置，在波束形成器中对具有与输出的波束的该水平位置相关联的那些时延的来自接收器元件的输出求和。
本发明通过以下手段解决上述需要：
●提供基本垂直装配并且具有发射超声波脉冲序列的元件的超声波发射器元件的伸长阵列，每个脉冲具有与序列中前一个脉冲的频率和垂直波束角不同的频率和垂直波束角，频率是垂直波束角的特征并且使用由不同发射器元件发射的超声波之间的时延来控制垂直波束角；以及
●提供基本水平地装配的超声波接收器元件的伸长阵列，通过使用不同接收器元件输出之间的时延来水平地控制来自接收器元件的输出，并且对于输出的波束的每个水平位置，在波束形成器中累计具有与输出的波束的该水平位置相关的那些时延的来自接收器元件的输出。
按照乘积定理，由输出被相乘或相关在一起的垂直的两行换能器组成的米尔斯十字阵列具有的波束模式与相同总尺寸的元件平面矩形阵列的波束模式相同。这样的米尔斯十字系统具有低的敏感度和低的阵列增益，并且由此仅当信噪比是高的并长距离是不重要的情况下是可用的。本发明使用超声波脉冲的多个频率来辨别船只前面的垂直水柱中的物体。由此，发射的脉冲的频率提供检测的物体的垂直坐标。通过使用不同的接收器元件输出之间的时延来控制来自接收器元件的输出波束从而提供检测的物体的水平坐标。对于输出的波束的每个水平位置，在波束形成器中对具有与输出的波束的该水平位置相关的那些时延的来自接收器元件的输出求和。这样的求和给出了比米尔斯十字系统更高的增益并且更适于长距离的检测。
在本发明中，通过使用不同元件之间的时延来控制波束角，而不是通过控制发射/接收超声波的频率来控制波束角。由此，通过使用由不同发射器元件发射的超声波之间的时延来控制垂直波束角，而不是通过控制发射的超声波脉冲的频率来控制垂直波束角。通过使用不同接收器输出之间的时延来水平地控制来自接收器元件的输出，而不是使用频率波束形成来控制。因为时延可以独立于频率而受控，相对于频率波束形成技术来说，本发明的优点是波束的波束角和频率可以彼此独立地受控。
在本发明中，“垂直角”指的是在包括船只的纵轴的基本垂直的平面中，相对于船只的纵轴的角度。由此正的垂直角是向上指向的并且负的垂直角是向下指向的。
在本发明中，“水平角”意味着在包括船只的纵轴的基本水平的平面中相对于船只的纵轴的角度。由此正的水平角是相对于船只向前朝向的纵轴为向右或右舷指向的。
尽管优选发射器元件的伸长阵列垂直地装配在船首，它也可以以+30度(向上朝向)和-30度(向下朝向)之间的小角度装配，优选地在+10度(向上朝向)和-10度(向下朝向)之间。可以使用倾角计，优选地使用阵列内部的倾角计来监视垂直阵列的垂直角。可以通过调整从发射器元件的超声波脉冲的时延和/或当从接收器元件接收的超声波确定船只前面的任何物体的三维坐标时进行垂直阵列的垂直角的校正。响应于船只的运动和/或阵列的构造位置来进行这样的校正。可以使用运动参考单元(MRU)来进行由于船只运动引起的校正。MRU可以提供关于船只左右摇摆、前后颠簸和/或起伏的信息。
发射器元件发射超声波脉冲序列，每个脉冲在船只行进方向上的波束中，每个脉冲具有与序列中前一个脉冲的频率和垂直波束角不同的频率和垂直波束角，频率是垂直波束角的特征，并且通过使用不同发射器元件发射的超声波之间的时延来控制垂直波束角。
脉冲的数目决定在垂直平面中的发射的波束的数目，每个发射的波束具有预定的频率和角度，由其解码回波以给出垂直坐标信息。
超声波脉冲序列可以受控于每个发射器元件的延迟网络。优选地，超声波脉冲序列是连续序列。
每个超声波脉冲可以具有从500us到4ms的持续时间。适合的持续时间是2ms。由此超声波脉冲的连续序列的持续时间是从发射器元件的脉冲的持续时间之和。由此，例如对于32个脉冲的连续序列，每个脉冲具有2ms的脉冲持续时间，该序列具有64ms的持续时间。
可以间隔地重复超声波脉冲序列。由此，可以以在200ms到2s的范围中的频率重复该序列，适合地以1到2秒的频率。
每个发射的超声波脉冲具有与前一个脉冲的频率和垂直波束角不同的频率和垂直波束角。由此，频率是垂直波束角的特征。优选地，序列中的脉冲的频率和垂直波束角在序列中逐步变化。序列中的脉冲的频率和垂直波束角也可以在序列中随机变化。
每个发射的超声波脉冲具有与前一个脉冲的频率不同的频率。脉冲的频率在序列中可以逐步变化。脉冲的频率在序列中也可以随机变化，这在高噪声的环境下具有优点。
从发射器元件的超声波脉冲的频率可以在50kHz到500kHz的范围中，优选地在50kHz到300kHz的范围中。对于长距离应用，频率优选地在60kHz到90kHz的范围内。对于短距离应用，频率优选地在200kHz到300kHz的范围内。脉冲的频率可以在序列中在60kHz和90kHz之间或200kHz和300kHz之间渐进。由此，例如对于超声波脉冲的一连续序列，序列中的第一个脉冲可以具有60kHz的频率，并且随后的脉冲可以具有越来越高的频率，直到对于序列末端的脉冲的90kHz。在脉冲的连续序列的另一个例子中，序列中的第一个脉冲可以具有200kHz的频率，并且随后的脉冲可以具有越来越高的频率，直到对于序列末端的脉冲的300kHz。
通常，频率的范围可以以标称频率中心(“fc”)为中心。适合地，超声波脉冲的频率可以在80％fc到120％fc的范围内。优选地，脉冲的频率在序列中从80％fc到120％fc渐进。对于具有低频率的长距离应用，fc可以是例如75kHz，脉冲的频率在80％fc到120％fc的范围内，即60kHz到90kHz。对于具有高频率的短距离应用，fc可以是例如250kHz，脉冲的频率在80％fc到120％fc的范围内，即200kHz到300kHz。
每个发射的超声波脉冲具有与前一个脉冲的频率和垂直波束角不同的频率和垂直波束角。由此，频率是垂直波束角的特征。通过使用不同发射器元件发射的超声波之间的时延来控制垂直波束角。优选地，时延从发射器阵列的一端到发射器阵列的另一端渐进。可选地，从发射器阵列的一端到发射器阵列的另一端时延可以是随机的。
因为可以独立于频率来控制时延，本发明的优点在于发射的超声波的垂直波束角和频率可以彼此独立地受控。
在序列中，脉冲的垂直波束角可以在+45度到-45度的范围内，优选地在+10度到-10度的范围内。优选地，脉冲的垂直波束角在序列中在+45度到-45度的范围内的垂直角之间逐步变化，优选地在+10度到-10度的范围内的垂直角之间。更优选地，脉冲的垂直波束角在序列中在+45度和-45度之间逐步变化，更优选地在+10度到-10度之间。由此，在序列开始处的脉冲可以具有+45度的垂直波束角，并且随后的脉冲可以具有逐渐向下指向的垂直波束角，直到对于在序列末端的脉冲的-45度波束角。优选地，在序列开始处的脉冲可以具有+10度的垂直波束角，并且随后的脉冲可以具有逐渐向下指向的垂直波束角，直到对于在序列末端的脉冲的-10度波束角。
优选地，在序列期间，超声波脉冲的频率可以在序列中从60kH到90kHz渐进，并且超声波脉冲的波束角可以在序列中从+10度到-10度渐进。
发射器元件的阵列可以具有在1m处超过210dB re luPa的声学功率。
发射器元件可以具有功率水平控制，使得当船只在受限的空间中时可以减小声学功率。
在发射器元件的伸长阵列中可以存在任意数目的发射器元件。适合地，发射器元件的伸长阵列具有32个和128个之间的发射器元件。适合地，发射器元件的伸长阵列具有二进制数数量的发射器元件，例如32、64或128个元件。优选的发射器元件的伸长阵列具有64个发射器元件。
可以操作发射器元件来发射具有可以编程的波形范围的超声波脉冲。可以操作发射器元件来发射具有可以在超声波脉冲序列之间改变的波形范围的超声波脉冲，这使得能够进行聚焦和/或适应性的波束控制。
发射器元件的阵列的长度可以为，使得提供的超声波脉冲的波束具有的波束宽度在0.5到2度，例如1度的垂直平面中。每个发射器元件可以以具有的波束宽度在30到120度，例如90度的水平平面中的波束发射超声波脉冲。
在接收器元件的伸长阵列中可以存在任意数目的接收器元件。适合地，接收器元件的伸长阵列具有32个和128个之间的发射器元件。适合地，接收器元件的伸长阵列具有二进制数数目的发射器元件，例如32、64或128个元件。优选的接收器阵列具有64个接收器元件。
接收元件的水平阵列应当被装配为指向与发射器元件的阵列相同的方向。由此，发射器和接收器元件的面应该基本上在相同或平行的平面上。
接收器元件的阵列可以为，使得提供的阵列的波束宽度在10到60度的范围中，例如20度的垂直平面中。接收器元件的阵列可以为，使得提供的阵列的波束宽度在0.5到5度的范围中，例如2度的水平平面中。
可以通过增加阵列中元件的数目来减少接收器元件的阵列的波束宽度，例如以便允许在比如运河的窄通道中操作，以减轻来自任何岸堤的反射的任何影响。通过使用软件来处理仅来自中心附近的一些接收器波束的数据，可以增加接收器元件的阵列的波束宽度。
接收器元件接收从船只前面的物体反射的任何超声波。通过使用不同接收器元件输出之间的时延将来自接收元件的输出水平地控制为波束。来自接收器元件的输出的波束可以被水平地控制在+45度到-45度的范围中的角之间。优选地，来自接收器元件的输出的波束被水平地控制在+45度和-45度之间。对于输出的波束的每个水平位置，在波束形成器中对具有与输出的波束的该水平位置相关的那些时延的来自接收器元件的输出求和。来自接收器元件的输出的波束的数目可以多于或少于或与接收器元件的数目相同。来自接收器元件的输出可以被放大，被数字化，然后使用宽带时延波束形成器求和。以这种方式，响应于每个发射的脉冲对于接收器元件确定水平数据集。例如，对于产生32个超声波脉冲的序列的64个发射器元件的伸长阵列和产生64个输出的波束的64个接收器元件的伸长阵列，对于32个垂直数据集的每一个获得64个水平数据集。发射器元件的频率和垂直角提供垂直分量，并且接收器输出的波束提供水平分量，以确定船只前面的任何物体的三维坐标。可以通过使用对于水中的声速的知识转换来自接收器元件波束的输出的相继采样之间的时间来确定船只前面的任何物体的距离。采样的数目控制范围，并且采样的频率控制分辨率。
从数据集可以确定船只前面的任何物体的三维坐标。坐标可以被表示为例如3D体积模型或3D虚拟环境或类似。坐标可以例如以二维来呈现在显示屏幕上或被表示为显示屏幕上的三维坐标的二维表示。
发射器和接收器阵列可以具有相关的处理电子电路和电源，适合地为直流电源。通过对信号给出极好的噪声免疫的光纤遥控来将信号传送到阵列和从阵列传送信号。本发明的设备可以与从运动参考单元、全球定位卫星设备和船只的陀螺仪组成的组中选择的船只的一个或多个导航设备相关联。运动参考单元可以提供关于船只的前后颠簸、左右摇摆和/或起伏的信息。全球定位卫星设备可以提供关于船只的位置的信息。船只的陀螺仪可以提供关于船只的航向的信息。
本发明可以由船只用于避免搁浅。本发明可以提供船只前面的地形的实时显示，以帮助避免搁浅和与水下物体相撞。
附图说明
现在将参考图1和图2通过下面的实例来描述本发明，其中图1以示意形式以平面图和侧视图表示具有根据本发明的声纳系统的船只的部分，图2表示本发明中使用的发射器元件和接收器元件的阵列。
具体实施方式
参考图1，图1a表示具有根据本发明的水下声纳系统(2)的船只(1)的部分的侧视图，并且图1b表示具有根据本发明的水下声纳系统(2)的船只(1)的部分的平面图。图1所示的水下声纳系统(2)可以包括超声波发射器元件(22)的伸长阵列(21)以及超声波接收器元件(24)的伸长阵列(23)，它们没有在图1中详细显示，但是在图2中示出。
参考图1和图2，发射器元件阵列基本垂直地并且向前面对装配于船首(3)，并且被改编为使得在使用中发射器元件发射超声波脉冲序列，每个脉冲在船只的行进方向上的波束(4)中，每个脉冲具有与该序列中前一个脉冲的频率和垂直波束角不同的频率和垂直波束角，频率是垂直波束角的特征，通过使用不同发射器元件发射的超声波之间的时延来控制垂直波束角。优选地，脉冲的频率和波束角在序列中逐步变化。接收器元件的阵列基本水平地装配在船首(3)上，接收器元件向前面对以接收从船只前面的物体反射的任何超声波。
参考图2，发射器元件的伸长阵列(21)包括作为矩形陶瓷元件的压电发射器元件(22)。在阵列中可以存在64个这样的元件。接收器元件的伸长阵列(23)包括作为矩形压电陶瓷元件的接收器元件(24)。在阵列中可以存在64个这样的元件。发射器和接收器元件可以由阳极氧化铝、铝青铜合金、不锈钢、钛或任何其他适于长期在海水中浸泡的材料构成，用聚氨酯封装压电陶瓷元件。
在本发明的方法的使用中，阵列(21)的发射器元件(22)发射超声波脉冲序列(4)，每个脉冲具有与前一个脉冲的频率和垂直波束角不同的频率和垂直波束角，频率是垂直波束角的特征，通过使用不同发射器元件发射的超声波之间的时延来控制垂直波束角；阵列(23)的接收器元件(24)接收从船只前面的物体(7)反射的任何超声波，通过使用不同接收器元件输出之间的时延来水平地控制输出的波束，并且对于波束输出的每个水平位置，在波束形成器(8)中对输出求和；并且从接收器元件接收到的超声波确定任何这样的物体的三维坐标。
波束宽度在从发射器元件以波束发射的超声波脉冲的水平面(5)中可以是90度。波束宽度在从发射器元件以波束发射的超声波脉冲的垂直面中可以是1度。
在序列期间中，超声波脉冲的频率可以从60kHz到90kHz渐进，并且超声波脉冲的垂直波束角(6)可以从+10度到-10度渐进。
每个超声波脉冲可以具有2ms的持续时间。超声波脉冲序列可以以1到2秒的频率重复。
接收器元件的阵列可以具有垂直面中20度和水平面中2度的波束宽度。
接收器元件(24)接收从船只(1)前面的物体(7)反射的任何超声波。通过使用不同接收器元件输出之间的时延将来自接收元件的输出水平地控制为波束(10)。来自接收器元件的输出的波束可以被水平地控制在+45度和-45度之间。对于输出波束的每个水平位置，在可以是宽带时延波束形成器的波束形成器(8)中，对具有与输出的波束的该水平位置相关的那些时延的来自接收器元件(24)的输出求和。以这种方式，响应于每个发射的脉冲对接收器元件确定水平数据集。对于产生32个超声波脉冲的序列的64个发射器元件的伸长阵列和产生64个波束的输出的64个接收器元件的伸长阵列，对32个垂直数据集的每一个获得64个水平数据集。发射器元件的频率和垂直角提供垂直分量，以及接收器输出的波束提供水平分量，用于确定船只(1)前面的物体(7)的3维坐标。可以通过使用水中的声速的知识转换来自接收器元件波束的输出的相继采样之间的时间，来确定船只前面的任何物体的距离。采样的数目控制范围，并且采样的频率控制分辨率。
坐标可以例如以二维被呈现在显示屏幕(9)上，或者被表示为显示屏幕(9)上的三维坐标的二维表示。坐标可以被表示为例如3D体积模型或3D虚拟环境或类似。
船只(1)可以使用在该实例中描述的设备和方法来避免搁浅在物体(7)上。

Claims (9)

1.一种检测水下物体的方法，包括：
(a)提供具有水下声纳系统的船只，所述水下声纳系统包括超声波发射器元件的伸长阵列和超声波接收器元件的伸长阵列，其中发射器元件的阵列基本垂直地并且向前面对装配在船首上，从而在使用中发射器元件在船只行进的方向上以波束发射超声波脉冲，并且接收器元件的阵列基本水平地装配在船首上，接收器元件向前面对以接收从船只前面的物体反射的任何超声波；
(b)从发射器元件发射超声波脉冲序列，每个脉冲具有与序列中前一个脉冲的频率和垂直波束角不同的频率和垂直波束角，频率是垂直波束角的特征，并且通过使用不同发射器元件发射的超声波之间的时延来控制垂直波束角；
(c)通过接收器元件接收从船只前面的物体反射的任何超声波；通过使用不同接收器元件输出之间的时延来水平地控制来自接收器元件的输出的波束；并且对于输出的波束的每个水平位置，在波束形成器中对具有与输出的波束的该水平位置相关的那些时延的来自接收器元件的输出求和；以及
(d)从来自接收器元件的求和的输出确定船只前面的任何物体的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其中序列中的脉冲的频率和垂直波束角在序列中逐步变化。
3.根据权利要求2所述的方法，其中脉冲的频率在序列中在60kHz和90kHz之间或在200kHz和300kHz之间渐进。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中垂直波束角在序列中在+45度到-45度的范围内的垂直波束角之间逐步变化。
5.根据权利要求4所述的方法，其中垂直波束角在序列中在+10度到-10度的范围中的垂直波束角之间逐步变化。
6.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其中来自接收器元件的输出的波束被水平地控制在+45度到-45度的范围中的角度之间。
7.一种具有水下声纳系统的船只，所述水下声纳系统包括超声波发射器元件的伸长阵列和超声波接收器元件的伸长阵列，其特征在于：
(i)发射器元件阵列基本垂直地并且向前面对装配在船首上，并且被改编为使得在使用中发射器元件发射超声波脉冲序列，每个脉冲在船只的行进方向上的波束中，每个脉冲具有与序列中前一个脉冲的频率和垂直波束角不同的频率和垂直波束角，频率是垂直波束角的特征，并且通过使用不同发射器元件发射的超声波之间的时延来控制垂直波束角，以及
(ii)接收器元件的阵列基本水平地装配在所述船首上，接收器元件向前面对以接收从船只前面的物体反射的任何超声波，并且接收器元件的阵列被改编为使得在使用中通过使用不同接收器元件输出之间的时延来水平地控制来自接收器元件的输出的波束，并且对于输出的波束的每个水平位置，在波束形成器中对具有与输出的波束的该水平位置相关联的那些相移的来自接收器元件的输出求和。
8.根据权利要求7所述的船只，具有32个和128个之间的发射器元件的伸长阵列和32个和128个之间的接收器元件的伸长阵列。
9.根据权利要求8所述的船只，具有64个发射器元件的伸长阵列和64个接收器元件的伸长阵列。
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