CN102362196A - 多频多波束声学多普勒系统 - Google Patents

多频多波束声学多普勒系统 Download PDF

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CN102362196A CN2010800132119A CN201080013211A CN102362196A CN 102362196 A CN102362196 A CN 102362196A CN 2010800132119 A CN2010800132119 A CN 2010800132119A CN 201080013211 A CN201080013211 A CN 201080013211A CN 102362196 A CN102362196 A CN 102362196A
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    • G01S15/87—Combinations of sonar systems

Abstract

一种声学多普勒系统，包括有效地连接到多个声学收发器声学子系统控制器，所述多个声学收发器中的第一个以第一声学频率工作且有效地连接到第一组至少一个换能器，所述多个声学收发器中的第二个以第二声学频率工作且有效地连接到第二组至少一个换能器，其中所述声学子系统控制器包括数字电路，所述数字电路被配置为对第一和第二换能器组接收模拟信号模拟信号按照具有成对方式的采样频率的对进行采样，所述成对方式的采样频率是关联的声学收发器的工作频率的四倍。还提供一种对从这样的装置接收的声学多普勒信号进行采样的方法，其采样包括以成对方式的采样频率获取的数值对，所述成对方式的采样频率是关联的声学收发器的工作频率的四倍，并且结果得到的数值对还被处理为多普勒偏移信号的余弦分量和正弦分量的代表值。

Description

多频多波束声学多普勒系统
相关申请的引用
本申请要求2009年3月23日提交的美国临时申请第61/162651号以及2009年12月16日提交的美国申请第12/639989号的权益，在此通过引用并入它们的全部内容。
技术领域
这里描述的主题的实施例总体上涉及用于操作各种水传感器平台上的多个相同频率和不同频率的声学传感器装置的系统和方法。
发明内容
在一般的实施例中，该系统和方法使用声学子系统，所述声学子系统包括有效地连接到多个声学收发器的声学子系统控制器，所述多个声学收发器中的第一个以第一声学频率工作且有效地连接到第一组至少一个换能器，所述多个声学收发器中的第二个以第二声学频率工作且有效地连接到第二组至少一个换能器。该声学子系统控制器适于选择性地操作各声学收发器。该声学子系统控制器可以包含数字电路，所述数字电路被配置为对从有效地连接到多个声学收发器的换能器组接收的模拟信号进行采样，该数字电路成对地采样模拟信号，具有成对方式的采样频率，所述成对方式的采样频率是所述多个声学收发器中的有效地连接到被采样的换能器的那一个的工作频率的四倍。该数字电路也可对从被采样的换能器接收的模拟信号进行采样而在采样对之间具有周期延迟，所述延迟为所述多个声学收发器中的所述那一个的工作频率的整数个周期。该声学子系统可以进一步包含多路复用器，所述多路复用器适于在声学装置内的多个单独的换能器之间切换被采样的模拟信道。
在第一方面，该声学子系统被安装在水传感器平台上，具有第一组和第二组，所述第一组包括第一多元件换能器阵列，所述第一多元件换能器阵列适于测量水环境的第一体积内的三维运动，所述第二组包括第一换能器，所述第一换能器适于测量到与所述第一体积角度一致的水环境的体积内的对象的距离。第一换能器可被用于测量水环境内的深度或海拔。
在与第一方面相关的第二方面中，所述多个声学收发器中的第三个以第三频率工作，有效地连接到第三换能器组，所述第三组包括多元件换能器阵列，该多元件换能器阵列适于测量与所述第一体积角度一致的水环境的体积内的三维运动。第三工作频率可不同于第一工作频率，以在替选的环境条件中测量三维运动。
在与第一方面相关的第三方面中，第一组可包括适于测量水环境中的第二体积内的三维运动的第二多元件换能器阵列，第二组可包括适于测量到与所述第二体积角度一致的水环境的体积内的对象的距离的第二换能器，所述第一体积和第二体积通常从水传感器平台指向相反的方向。第一体积和第二体积可位于传感器平台之上或之下，所述传感器平台可以是自治的或远程操作的运载工具(vehicle)。
在与第一方面相关的第四方面中，第二组可包括适于测量到水环境的第三体积内的对象的距离的第三换能器，所述第三体积与所述第一体积角度不一致。第三换能器可被用于测量离航行障碍或地形(terrain)的距离，或被用于地图应用中。
在一示例性的实施例中，该系统和方法使用集成的声学换能器系统，所述集成的声学换能器系统包括：以第一频率工作的用于测量由水体内流动的水导致的多普勒偏移的多元件换能器阵列，以及以第二频率工作的用于测量水体的深度的角度一致的深度传感器换能器。在另一个示例性的实施例中，该系统和方法使用集成的换能器系统，所述集成的换能器系统包括：以第一频率工作的用于测量由水体内流动的水导致的多普勒偏移的第一多元件换能器阵列、以第二频率工作的用于测量水体的深度的角度一致的深度传感器换能器、以及以第三频率工作的用于测量由比第一频率处能够测量的深度更大的深度处的流动的水导致的多普勒偏移的第三多元件换能器阵列。示例性的实施例可被用于确定通过水体的横截面的水的流动，例如河流的排放。
可在将参照以下的说明和图所看到的各种实施例和方面中独立地或组合地实现这里讨论的特征和功能。序数形容词(例如，第一、第二、第三)被用于区分所命名的元件的类似的实例，而非要求这样的元件数目或顺序，也就是说，即使在不存在第二换能器组时也可存在第一换能器组和第三换能器组(除非相反地明确说明)。
附图说明
附图示出该系统和方法的各个方面。以下给出各图形的简要说明。各图形中具有相同参考数字的元件指示相同的或机能上类似的元件。
图1A是该系统和方法的一个实施例中的电子设备套件(electronics package)的框图。
图1B-1F是图1A中所示的声学子系统控制器30元件的组件的示意图。图1B-A到1B-E是图1B的在其中示出的局部视图。图1C-A到1C-E是图1C的在其中示出的局部视图。图1D-A到1D-B是图1D的在其中示出的局部视图。图1E-A到1E-B是图1E的在其中示出的局部视图。图1F-A到1F-B是图1F的在其中示出的局部视图。
图1G是描绘对从以第一声学频率(例如0.5MHz)工作的有效地连接到声学收发器的换能器接收的模拟信号进行采样的信号图。
图2是该系统和方法的一个实施例中的操作过程的流程图。
图3是该系统和方法的一个方面中的采用4射束多元件换能器阵列和单个射束换能器的5射束换能器系统的图；
图4是在该系统和方法的一个方面中的采用第一4射束多元件换能器阵列和第二4射束多元件换能器阵列以及单个射束换能器的9射束换能器系统的图；
图5在速度轮廓应用中采用的附加的前视单一射束换能器的图；
图6在速度轮廓应用中采用的两个附加的侧视单一射束换能器的图；
图7是在该系统和方法的一个方面中的采用向上地定位的4射束多元件换能器阵列/单一射束换能器传感器组和向下地定位的4射束多元件换能器阵列/单一射束换能器传感器组的10射束换能器系统的图；
图8是声学传感器平台为可浸入水中的运载工具的应用的图，两个通常相反地指向的多元件换能器阵列被用于速度轮廓应用中。
具体实施方式
多频多射束声学多普勒系统可被用于获得水体(例如，运河、河流、海峡、海湾乃至开阔水区)内的速度轮廓，以获得诸如排放轮廓、水流轮廓等的信息，以用于水资源管理、河流和港湾建模、航行地图及其他应用。在这样的系统中，采用多个频率的声学能量的能力提供一种用于依赖于要获得的数据的类型以及声学环境的条件调适数据收集处理的有用的装置。例如，低频率声学能量(例如0.5MHz脉冲)可良好地适合用于测距，高频率的声学能量(例如3.0MHz脉冲)可良好地适合用于在高达5米的范围上的多普勒测量和速度估计，而中频声学能量(例如1MHz脉冲)可较好地适合高达30米的扩展范围上的多普勒测量和速度估计，但以降低的采样频率和降低的测量细节为代价。
并入多频传感器的声学多普勒系统迄今为止是从多个独立的声学系统组合的，其中各声学系统包括换能器、收发器和被设计用于控制特定的换能器或多元件换能器阵列以单一声学频率工作的控制器/信号处理器。可通过将该系统聚集的数据(例如速度轮廓、底部之上的高度或距水面的深度)转发到通用计算机以供分析和进一步的处理来组合这样的独立的系统。然而，这样的系统的集合体不能容易地容纳以相同声学频率工作的多个系统，由侧叶干涉导致的系统之间的串扰、双路径反射和多路径反射以及其他的现象可能干扰各系统所进行的测量和后续的数据分析。这样的系统的集合体也可能是昂贵的和庞大的，因为各声学系统在其本质上是被设计用于独立工作的，并且如果要将实时的或半实时的信息呈现给负责指示水传感器平台或响应于水环境中的条件进行调制操作的现场操作者则各声学系统必须联网回到再另一个独立的系统(例如膝上型计算机)。
先参照图1A，本系统和方法通过经由共用的声学子系统控制器30互连多个声学收发器20和换能器组10来允许多个声学系统更有效地被控制和工作。该声学子系统控制器30适于选择性地操作各单个的声学收发器。声学子系统控制器30还适于传递收发器信号到主处理单元35，主处理单元35包括信号处理硬件(例如，通用的处理单元、数字信号处理单元等)，主处理单元的硬件通常是业界已知的，值得注意的是，声学收发器21中的第一个可以第一声学频率(例如3MHz)工作并且连接到多元件换能器阵列中的一组换能器11a、11b、11c和11d，例如用于通常由该阵列的射束界定的体积内的多普勒测量和速度估计(如以下在示例性的实施例中所进一步描述的那样)。声学收发器22中的第二个可以第二声学频率(例如0.5MHz)工作并且连接到换能器12a，例如用于测量到声学射束所限定的体积内的对象的距离(如以下在示例性的实施例中所进一步描述的那样)，所述声学射束所限定的体积与换能器11a、11b、11c和11d所限定的体积角度一致。本领域技术人员会认识到，涉及的与其他的射束或体积“角度一致”的射束或体积将水传感器平台用作用于比较的共用的起源/参考点，该环境中的“对象”是水介质之间的任何过渡部分(transition)和大的介质(例如空气、陆地、金属等，例如包括水体的表面、水体的地基、航道或管道的壁、以及诸如浮标、锚具的海工建筑等)。
声学子系统控制器30优选为模块，以使得可通过本质上相同的硬件连接另外的声学收发器20，以增加另外的频率能力。例如，声学收发器中的第三个23可以第三声学频率(例如1MHz)工作并且连接到多元件换能器阵列中的一组换能器13a、13b、13c和13d，例如用于与换能器11a、11b、11c和11d所限定的体积角度一致的并且通常由该阵列的射束界定的体积内的多普勒测量和速度估计。第三收发器23和第三换能器组可被用于例如替选的环境条件(诸如更深的水体、不同类型的地基(例如，岩石或泥泞的地基)、不同类型的水面(例如，平静的、搅浑的或上面结冰的)、以及不同类型的声学性质(例如，清水与携载大量悬浮固体物质的水))中的多普勒测量和速度估计。本领域技术人员还会认识到所描述的系统可被用于获得本质上任何充分大的水环境中的速度轮廓，并且可在包括如下所述的那些变化的方向上进行工作。
从多个声学收发器20中的收发器可通过声学子系统控制器30独立地工作以使得换能器组10(例如，组11a、11b、11c和11d)可被关闭以避免按相同声学频率工作的换能器组(例如，不同地指向的换能器传感器组中的换能器)之间的干涉或串扰两者的意义上讲，声学子系统控制器30也优选地为模块。当水传感器平台变得位置太接近于水体的边界(例如，运河的岸)、或者遇到作为声学能量的有效率的反射器的对象(诸如海底管线)时，可出现这样的干涉或串扰。
虽然典型地将提供和/或增加另外的声学收发器20以增加另外的频率能力，但是收发器不是必须提供另外的频率能力。例如，声学收发器中的第四个24可以第二声学频率工作并且连接到一组换能器14a和14b，以例如用于测量到由相应的声学射束限定的、角度不彼此一致的体积内的对象的距离。声学收发器中的第五个25可利用一组换能器15a、15b、15c等或者以上述的声学频率中的一个或者以再另一个声学频率工作，所述一组换能器15a、15b、15c等被配置用于本质上要求通过以共用的声学频率驱动的换能器进行声学感测和分析的任何已知的应用。因此，声学子系统控制器30和主处理单元35允许多个多频和/或多射束声学系统通过单一硬件接口被操作者控制、采样和概括。硬件接口还可包括：内部传感器40(诸如倾斜和摇晃传感器、数字指南针等)；对于传感器的外部传感器接口42，诸如GPS接口、温度传感器、盐度传感器等；用于通过电缆、光缆、无线电和/或声学无线远程通信连接传输控制信号和/或结果的用户通信模数44；用于向系统和数据存储器48供给电力的电力管理器46，所述数据存储器48用于根据制造者和/或现场操作者的要求记录分析结果、测量的数据、来自声学收发器的所选择的信号、控制信号、硬件状态等。
参照图1B-1F，声学子系统控制器30可包含数字电路，所述数字电路被配置为对从有效地连接到多个声学收发器20的换能器组10接收的模拟信号进行采样，对模拟信号成对地进行采样的所述数字电路具有成对方式的采样频率(所述采样频率是有效地连接到被采样的换能器的多个声学收发器中的那一个的工作频率的四倍)，即，所述对相隔以由相关联的收发器产生的发射波的周期的四分之一(或发射的波形的周期的四分之一)。该数字电路通常包括有效地连接到模拟-数字转换器(A/D转换器)32a的逻辑处理器31，并且可包括多路复用器33a，所述多路复用器33a适于在传送来自单独的换能器的模拟信号的线路之间切换A/D转换器所采样的模拟信道。在图1B所示的图解的方面中，逻辑处理器31是与微控制器配对的现场可编程门阵列(FPGA)，所述微控制器控制基准信号发生器34(在图1F中示出)，但是在其他的方面中，该逻辑处理器本身可控制基准信号发生器34，并且在更其他的方面，逻辑处理器31可为应用特定的集成电路(ASIC)、高速通用处理器或其他的等同的处理装置。在图1C和1D所示的图解的方面中，逻辑处理器31有效地连接到第一A/D转换器32a和第一多路复用器33a以对接受的信号频率和相位(即，声学频率，像由换能器所接收的反射的声学能量的多普勒偏移的声学频率)进行采样，并且连接到第二A/D转换器32b和第二多路复用器33b以对接受的信号强度(即，由换能器所接收的反射的声学能量的大小)进行采样。现场可编程门阵列逻辑处理器31、双A/D转换器32a和32b以及双多路复用器33a和33b的组合允许从较低速度和更有电力效率的部分制造该电路，同时避免定制ASIC设计的费用。
声学子系统控制器30还可适于有效地控制多个声学收发器20，以使指定的换能器组10根据采样方案54中的指令(以下进一步详细描述)对于指定数量的具有指定的持续时间和间隔的脉冲发声(sound)，或者由主处理单元35执行。在这样的方面中，声学子系统控制器30可包括适于将由逻辑处理器31生成的收发器控制信号指示到多个声学收发器20中的所选择的一个的电路，这样的电路的例子在图1E中示出。在该图解的方面中，该电路适于根据由逻辑处理器31或主处理单元35控制的传输使能信号线“TX_EN[#_]”的操作将由逻辑处理器31生成的收发器控制信号一次一个地、成组地和同时地指示到多个声学收发器。从逻辑处理器31起的传输线路“X1”和“X2”连接到到达单独的声学收发器的传输线路“X1_[#_]”和“X2_[#_]”，以允许逻辑处理器独立于其它声学收发器地选择性地操作多个声学收发器20中的各声学收发器。传输使能信号线的同时操作还允许从逻辑处理器31起的传输线路同时地操作声学收发器组或全部所述多个声学收发器。
如图1G所示，数字电路对从被采样的换能器(诸如换能器11a)接收的模拟信号进行采样，以获得数字采样对，所述数字采样对相隔在该换能器发声期间发射的波的周期的四分之一。示例性的发射波形示出在行A上，示例性的多普勒偏移的接收的波形示出在行B上。逻辑处理器31在由主处理单元35确定的工作频率的整数个周期处对A/D转换器32a进行采样，并且对涉及收发器和被采样的换能器(例如，收发器22和换能器12a)的工作频率的(由单独的收发器供给的或由用户输入的)信息进行采样。各个采样组成数值对，所述数值对相隔所述工作频率的周期的四分之一，包含关于所接受的信号频率和相位的信息。为了图解的明晰，采样所述对的第一成员的定时示出在行C上，采样所述对的第二成员的定时示出在行D上。通过以与收发器和被采样的换能器的工作频率相同的频率对从被采样的换能器接收的模拟信号进行采样，有效地去除了发射波形的频率，而使得仅仅多普勒偏移频率分量被反映在作为结果得到的数字值中。通过成对地(所述对相隔所发射的波形的周期的四分之一)对从被采样的换能器接收的模拟信号进行采样，所述对的成员可被当做多普勒偏移信号的余弦(同相)分量和正弦(正交)分量。该数字采样系统和方法有利地消除了现有的单一频率声学多普勒控制器/信号处理器中所发现的频率特定的模拟正交解调电路。在美国再颁专利第35535号中示出和讨论了这样的电路的例子，其全部内容在此通过引用被并入。根据诸如在所引用的专利中所讨论的或现有技术中可得到的其他的方法，从A/D转换器33a获得的一系列数字值可被存储在逻辑处理器31中，并被进一步处理以确定所接收的声学能量的多普勒频率，并且最终确定水介质的部分的相对速度。在逻辑处理器31对第二A/D转换器32b和第二多路复用器33b进行采样以对接受的信号强度进行采样的图1C和1D所示的方面中，对于每一采样事件第二A/D转换器32b可仅被采样一次(例如在采样所述对的第一成员的期间)，以获得所接受的信号强度信息以供存储和根据已知的方法进一步进行处理。
为了容易和明晰的图解，在图1G中所示出的示例性的信号包括放大的多普勒频移。实际上，声学子系统控制器30不必对发射波的每一周期一次地对从被采样的换能器接收的模拟信号进行采样。作为替代，数字电路对模拟信号的采样也可在采样操作之间具有周期延迟，该延迟是所述多个声学收发器中的那一个的工作频率的多个周期。在一个方面，逻辑处理器31对A/D转换器32a采样从特定的换能器接收的模拟信号，以在该发射波的每第八个周期(即，以作为有效地连接到被采样的换能器的多个声学收发器中的那一个的工作频率的八分之一的速率)获得一个对。取决于制造者或用户操作者希望在多普勒速度计量过程期间解析的所接收的模拟信号的带宽，该周期的数目(或者对之间的时间间隔)可在其他的方面中变化。
参照图2，声学子系统控制器30和主处理单元35借助于有效地连接到多个声学收发器20和换能器组10而非任何单一的组可适于根据水环境内的条件将采样数据的集合重新排序和优化(即使没有来自系统的现场操作者的运行时间介入)。替代地，该系统可经由用户输入描述和/或优选地经由利用所谓的“即插即用”方法的硬件自我识别来评估可利用的收发器/换能器硬件52，并且获得用户指定的采样方案54。系统然后可在步骤50处自创建初始的采样策略，实现用户指定的方案，同时自动地解决可利用的收发器/换能器硬件52之间的冲突。例如，会期望要求生成具有相同的声学频率的声学射束但角度彼此不一致的换能器14a和14b被操作为在换能器14a和换能器14b的声脉冲(pinging)之间具有几毫秒的延迟，以避免可干扰测量和数据分析的双反射、多路径反射以及其他的现象。此外，会期望要求收发器22和24以及与其关联的换能器被操作为在换能器12a、14a和14b的声脉冲之间具有几毫秒的延迟，以避免可在以相同声学频率工作的另外的分离的子系统中干扰测量和数据分析的侧叶干涉、双路径反射和多路径反射以及其他的现象。
该系统然后可基于用户指定的采样方案54和在步骤50确定的初始的采样策略在步骤60开始收集采样数据。从收发器20和相关联的换能器10接收的信号被声学子系统控制器30数字化、传送到主处理单元35，并且与从内部传感器40和外部传感器接口42获得的数据被组合地用于在步骤65计算派生数据参数和分析结果(诸如深度或高度、速度估计、排放或水流估计等)。该系统然后可在步骤70至少输出派生数据和分析结果(集合地数据)到用户通信模数44和/或数据存储器48。值得注意的是，通过声学子系统控制器30与主处理单元35内的集中控制和信号处理，该系统和方法可在步骤80调准采样策略。例如，系统可在对换能器12a进行采样之后，根据诸如由水介质和/或水面和/或地基的特性引起的信号品质、所测量的深度或海拔、所测量的水或底部流速(特别是指示水传感器平台的快速运动的底部流速)等因素，确定仅使用声学收发器21或23以及相关联的换能器的多普勒测量是不令人满意的，并且调整采样策略以包括利用声学收发器21和23的多普勒测量，或者反过来。进一步例如，该系统可在对可利用的换能器进行采样之后，通过改变声脉冲序列和定时来优化换能器之间的采样，以避免侧叶干涉、双路径反射和多路径反射以及其他的现象，同时在可能的情况下保持用户指定的采样方案和所要求的数据分辨率。另外，该系统可改变声学处理方法，诸如滤波和校正方案。最后，该系统可响应于运行时的用户输入82(诸如偏好的改变或手动更改系统的自创建的采样策略)改变采样策略和/或计算/处理方法的任何方面。
以下是这里描述的该系统和方法的示例性的配置。可独立地或组合地在不会具体地讨论的各种实施例和方面中实现在各例子中讨论的特征，以及在不会具体地讨论的更复杂的组合中实现在各例子中讨论的特征，但是本公开明确地构想了这些内容。
5射束换能器系统
现在参阅图3，呈现5射束换能器系统100的图解表示。5射束换能器系统100包括：安装在外壳108中的中央射束换能器102(类似于以上讨论的换能器12a)和安装在中央射束换能器102周围的包括四个轮廓射束换能器104a、104b104c和104d的多元件换能器阵列104(类似于以上的讨论换能器11a、11b、11c和11d)。在一个方面，这四个轮廓射束换能器各自安装为从中央射束换能器102的面以约25度的角度面朝外，并且以等间隔径向地分布在中央射束换能器102周围，以界定(bound)通常为锥状并且与中央射束内的水环境的体积角度一致的水环境的体积。在该图解的方面中，各轮廓射束换能器104a、104b、104c和104d被安装为关于中央射束换能器102离相邻的轮廓射束换能器90度，然而本领域技术人员会认识到像三个这样少或多于四个的轮廓射束换能器可被用于速度轮廓应用。如上所述，多元件换能器阵列104可连接到第一声学收发器21，并且垂直波束换能器102可连接到第二声学收发器22。
垂直波束换能器102可以大约100KHz到1MHz的范围内的较低的频率工作，并且典型地作为深度测量装置，但是可选择性地作为另外的多普勒测量装置以提供中央速度和声学反向散射强度数据。在一个方面，垂直波束换能器102是以1MHz的频率工作的10毫米声学元件。多射束换能器阵列104可以大约100KHz到大约5MHz的范围内的频率工作。在一个方面，多射束换能器阵列104包括以3MHz的频率工作的四个20毫米声学多普勒元件。多射束换能器阵列104可被用于执行各种业界所知的速度轮廓绘制、位置跟踪(即，确定声学传感器平台相对于水环境中的对象(特别是水体的地基或深水上的积冰)的速度)、和/或波场分析，以及用于估计深度或海拔。在附录A中所附的说明中提供对河流排放分析应用中的操作的进一步的描述，但是会认识到，在那里描述的装置也可在这里描述的替选的应用中被用于收集替选的类型的数据。
9射束换能器系统
现在参阅图4，呈现9射束换能器系统500的图解表示。9射束换能器系统500包括：安装在外壳108中的低频率中央射束换能器502(类似于以上讨论的换能器12a)，安装在低频率中央射束换能器502周围的四个中等频率轮廓射束换能器504a、504b、504c和504d的多元件换能器阵列504(类似于以上讨论的换能器13a、13b、13c和13d)，以及安装在低频率中央射束换能器502周围的四个高频轮廓射束换能器506a、506b、506c和506d的多元件换能器阵列506(类似于以上讨论的换能器11a、11b、11c和11d)。在一个方面，这四个中等频率轮廓射束换能器各自安装为从中央射束换能器502的面以约25度的角度面朝外，并且以等间隔径向地分布在中央射束换能器502周围，以界定大致为锥状的水环境的体积。这四个高频率的轮廓射束换能器各自安装为从中央射束换能器502的面以约25度的角度面朝外，并且以等间隔径向地散布在中等频率轮廓射束换能器之中，以界定也大致为锥状并且与中等频率射束内的水环境的体积角度一致的水环境。这样的体积两者都与中央射束内的水环境的体积角度一致。本领域技术人员会认识到，以各自的频率工作的像三个这样少或多于四个的轮廓射束换能器可被用于速度轮廓应用。如上所述，多元件换能器阵列506可连接到第一声学收发器21，中央射束换能器502可连接到第二声学收发器22，并且多元件换能器阵列504可连接到第三声学收发器23。
在一个实施例中，垂直波束换能器102是以0.5MHz的频率工作的30mm声学元件，多射束换能器阵列506包括以3MHz的频率工作的四个20毫米声学多普勒元件，并且多射束换能器阵列504包括以1MHz的频率工作的四个30毫米声学多普勒元件。在工作时，与高频率的多元件换能器阵列506相比，中等频率多元件换能器阵列504可被用于允许扩展的范围上的测量，然而在其他的方面，多元件换能器阵列504可工作于其他的声学频率并且用于允许其他的水环境中(诸如在岩石地基上或积冰下)的位置跟踪，或者用于允许测量被应用于不同的水质条件(一般地诸如清澈的水对浑浊的水)。在附录A中随附的说明中提供对河流排放分析应用中的操作的进一步的描述，但是会认识到在那里描述的装置也可被用于在替选的应用中如在这里描述的那样收集替选的类型的数据。
6射束换能器系统
现在参阅图5，呈现6射束换能器系统1000的图解表示。该系统可采用如上所述的示例性的5射束换能器系统100，但是增加换能器1002(类似于以上讨论的换能器15a)或航行避免离水传感器平台1010的船首最近的障碍，所述水传感器平台1010可是自治的或远程地操作的运载工具。如图所示，所述运载工具可以是可浸入水中的或水下的运载工具，但还可以是装备有传感器而确保在行进方向存在充分的吃水(draft)的水面运载工具。通过换能器1002采样的水环境的体积(即，在射束1004内)与通过多元件换能器阵列104采样的水环境的体积(即，在射束302内与射束302之间，以及在垂直射束102内与垂直射束102之间，即在射束202内)角度不一致或者根本不同。然而，因为垂直波束换能器102和换能器1002可以相同的声学频率工作，因此声学子系统控制器30和主处理单元35对这两个换能器的控制允许来自这两个换能器的声脉冲更接近地交织(interleave)在一起，而不必考虑在独立的声学系统中会被用于防止互相干扰的设想的延迟或等待周期。换能器102和1002可以有效地连接到分离的声学收发器，例如收发器22的第一和第二实例，以使得射束202和射束1004可彼此独立地工作。
虽然已经讨论和示出了单一换能器1002，但是会认识到多个换能器或换能器的多元件阵列(例如，诸如以上讨论的换能器15a、15b和15c的换能器的线状阵列)可被用于获得来自关于水传感器平台1010的行进方向的方位(bearings)阵列的航行信息。因此，可采用两个、三个乃至更多传感器，以使得能够避免航行障碍，而无需调整路线来调查(survey)换能器1002所采样的体积之外的区域。
7射束换能器系统
现在参阅图6，呈现7射束换能器系统1100的图解表示。该系统可采用如上所述的示例性的5射束换能器系统100，但是增加离水传感器平台1110的左舷侧和右舷侧最近的换能器1106和1108，以用于避免航行障碍、保持位置或地图目的。声学传感器平台1110可是自治的或远程操作的运载工具，或者可以是拖曳的传感器平台。如图所示，取决于特定的应用，该运载工具可为水面运行的传感器平台，但是替选地可为可浸入水中的或水下的传感器平台。分别通过换能器1106和1108采样的水环境的体积(即，在射束1112和1114内)与通过多元件换能器阵列104采样的水环境的体积(即，在射束302内与射束302之间，以及在中央射束102内与中央射束102之间，即在射束202内)角度不一致或者根本不同。通过换能器1106和1108采样的水环境的体积也可是角度彼此不一致的。换能器1106和1108优选有效地连接到分离的声学收发器(例如，收发器22的另外的实例)，以使得射束202与射束1112和1114可彼此独立地工作，但是，会认识到，换能器1106和1108不必以与换能器102相同的声学频率工作。
换能器1106和1108被示为处于可适于在运河或类似的航道内保持位置的方向，这时保持相对于水体的岸的位置以收集沿主要的流动方向相干的数据会作为目标。然而，作为替代，换能器1106和1108在侧视地图应用中可定位于相对于水平的任何角度，或者如在前面的例子语境中所讨论的那样在航行障碍避免应用中另外朝水传感器平台1110的船首设置角度。如前所述，由于垂直波束换能器102与换能器1106和1108可以相同的声学频率工作，因此声学子系统控制器30和主处理单元35对这些换能器的控制允许来自换能器的声脉冲更接近地交织在一起，而不必考虑在独立的声学系统中会被用于防止互相干扰的设想的延迟或等待周期。
虽然已经讨论和示出了两个换能器1106和1108，但是会认识到，多个换能器或者换能器的多元件阵列(例如，线状阵列)可为侧视的以获得来自关于水传感器平台1110的潜在的行进和/或漂流方向的方位的阵列的航行信息。因此，当利用推进器机动、在自然和人为的水环境内进行工作的期间调转行进方向等时，可采用更多的传感器以使得能够避免航行障碍。
10射束换能器系统
现在参阅图7和8，呈现10射束换能器系统1200的图解表示。10射束换能器系统1200通常会包含：各自安装在外壳1208中的中央射束换能器1202和1222，各自包括安装在相应的中央射束换能器1202和1222周围的四个轮廓射束换能器1204a-d和1224a-d的多元件换能器阵列1204和1224。在一个方面，所述四个轮廓射束换能器各自安装为从相应的中央射束换能器以大约25度的角度面朝外并且以等间隔径向地分布在中央射束换能器周围，以界定通常为锥状(即，分别在射束302a或者302b内或在射束302a或者302b之间)的且与中央射束内的水环境的体积(即，分别在射束202a或者202b内)角度一致的水环境的体积。如图所示，中央射束换能器1202可面向上，多元件换能器阵列1204通常面向上，且中央射束换能器1222可面朝下，多元件换能器阵列1224通常面朝下。本领域技术人员会认识到，像三个这样少或多于四个的轮廓射束换能器可被用于速度轮廓应用，中央射束换能器1202和1222不是传感器组的必须的元件，并且不要求传感器组相反地面向。如上所述，多元件换能器阵列1204和1224可连接到第一声学收发器21，中央射束换能器1202和1222可连接到第二声学收发器22。然而，多元件换能器阵列1204和1224可连接到分离的声学收发器21和21a(本质上复制21但没有示出)，中央射束换能器1202和1222可连接到分离的声学收发器22和22a(本质上复制22但没有示出)，以使得能够再次使用被开发用于诸如如上所述的5射束换能器系统的其他方面的声学收发器电子设备。另外，会认识到，取决于相应的换能器子组1202/1204和1222/1224的所期望的方向以及水传感器平台1210的配置，外壳1208可是一个外壳、两个分离的外壳、或者仅仅是水传感器平台1210的船体的特别配置的部分。
中央波束换能器1202和1222可以大约100KHz到1MHz的范围内的频率工作，并且典型地作为深度和海拔测量装置，但是可选择性地作为另外的多普勒测量装置以提供另外的中央速度和声学反向散射强度数据。在一个方面，中央射束换能器1202和1222可为以0.5MHz的频率工作的30毫米声学元件。多射束换能器阵列1204和1224可以大约100KHz到大约5MHz的范围内的频率工作。在一个方面，多射束换能器阵列1204和1224可各自包括以3MHz的频率工作的四个20毫米声学多普勒元件。在另一个方面中，多射束换能器阵列1204和1224可各自包括以1MHz的频率工作的四个30毫米声学多普勒元件。多射束换能器阵列可被用于执行速度轮廓描绘、位置跟踪(即，确定声学传感器平台相对于水环境中的对象(特别是浅水中的地基和覆盖的积冰)的速度)、以及分析水环境中的对象之间的运动。
在这个例子的变形中，多射束换能器阵列1204和1224可以不同的声学频率工作。例如，在可浸入水中的水传感器平台1210中，多射束换能器阵列1204可包括以1MHz的频率工作的四个30毫米声学多普勒元件，以获得速度轮廓和波场分析数据，但是多射束换能器阵列1224可包括以3MHz的频率工作的四个20毫米声学多普勒元件以获得速度轮廓和沉积物(sediment)输送分析数据。在这样的应用中，水传感器平台1210可保持位置、静止、乃至暂时锚定在沉积地基中，多射束换能器阵列1224本身可用于测量和/或估计海拔(通过关于各角度射束独立测量海拔和/或估计从该独立测量得到的中心值)，以使得中央换能器1222是可选的和可省略的。
其他的换能器系统
各种应用可替换没有中央射束换能器的4射束换能器系统，包括第二多元件换能器阵列的9射束换能器系统或其他的建议的变体可用于替换前述示例性应用中被用作描述和解释的共用的基础的5射束换能器系统/传感器组和4个元件的多元件换能器阵列。本领域技术人员会认识到，可取决于特定的应用的需要而更有用地采用合理地任意的数目的换能器和/或多元件换能器阵列，以从绕水传感器平台定向的水环境的根本不同的体积采集数据，所述合理地任意的数目的换能器和/或多元件换能器阵列由以多个不同的声学频率一起工作的多个声学收发器驱动。
在这里讨论的声学多普勒系统和实施例可被用于各种应用中。在本申请的母案(美国申请第12/340315号)中具体地讨论了示例性的应用(河流或者其他的移动水体的排放的测量和估计)，在此通过引用并入其公开的内容。如上所述，本领域技术人员会认识到，在这里描述的系统和方法可用于在(或者固定的、或者活动的)各种声学传感器平台上对于各种方向(诸如面向下、面向上和面向水平)获得各种环境(诸如运河、河流、海峡、海湾或者开阔水区)内的速度轮廓，以获得速度轮廓信息。
如图所示和如上所述的本发明的实施例是可在随附权利要求的范围内作出的许多实施例中的示例性的实施例。想到了可基于所公开的方案和例子的重新组合得到该系统和方法的许多的其他的配置、以及采用换能器和多元件换能器阵列的各种组合和方向的装置的其他应用。申请人意图使由此颁发的专利的范围将仅由权利要求的范围限定。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种声学多普勒系统，包括：
声学子系统控制器，所述声学子系统控制器有效地连接到多个声学收发器；
所述多个声学收发器中的第一个，以第一声学频率工作，所述多个声学收发器中的第一个有效地连接到第一组至少一个换能器；和
所述多个声学收发器中的第二个，以第二声学频率工作，所述多个声学收发器中的第二个有效地连接到第二组至少一个换能器；
其中，所述声学子系统控制器包括数字电路，所述数字电路被配置为对从所述第一组至少一个换能器中的各换能器和所述第二组至少一个换能器中的各换能器接收的模拟信号进行采样，对从被采样的换能器接收的模拟信号按采样对进行采样的所述数字电路具有成对方式的采样频率，所述成对方式的采样频率是所述多个声学收发器中的有效地连接到被采样的换能器的那一个的工作频率的四倍。
2.根据权利要求1所述的声学多普勒系统，其中所述数字电路对从被采样的换能器接收的模拟信号重复进行采样时在采样对之间具有周期延迟，所述周期延迟为所述多个声学收发器中的有效地连接到被采样的换能器的那一个的工作频率的整数个周期。
3.根据权利要求1所述的声学多普勒系统，其中所述声学子系统进一步包括多路复用器，所述多路复用器适于在多个模拟信道之间切换由所述数字电路采样的模拟信道，所述多个模拟信道中的每一个与单独的换能器相关联。
4.根据权利要求1所述的声学多普勒系统，其中所述声学子系统控制器适于独立于所述多个声学收发器中的其它声学收发器选择性地操作所述多个声学收发器中的各声学收发器。
5.根据权利要求4所述的声学多普勒系统，其中所述声学子系统控制器适于一次一个地、成组地和同时地选择性地操作所述多个声学收发器中的各声学收发器。
6.一种声学多普勒系统，包括：
声学子系统控制器，所述声学子系统控制器安装在水传感器平台上并且有效地连接到多个声学收发器；
所述多个声学收发器中的第一个，以第一声学频率工作，所述多个声学收发器中的第一个有效地连接到第一多元件换能器阵列，所述第一多元件换能器阵列适于测量水环境的第一体积内的三维运动；和
所述多个声学收发器中的第二个，以第二和不同的声学频率工作，所述多个声学收发器中的第二个有效地连接到第一换能器，所述第一换能器适于测量到与所述第一体积角度一致的水环境的体积内的对象的距离；
其中，所述声学子系统控制器适于选择性地操作第一声学收发器和第二声学收发器中的每一个，并且适于对由第一多元件换能器阵列接收的模拟信号进行采样，其中来自所述多元件换能器阵列中的各个单独的换能器的模拟信号被按采样对进行采样，所述采样对的成员相隔由相关联的声学收发器生成的发射声波的周期的四分之一。
7.根据权利要求6所述的声学多普勒系统，还包括：
所述多个声学收发器中的第三个，以第三和不同的声学频率工作，所述多个声学收发器中的第三个有效地连接到第二多元件换能器阵列，所述第二多元件换能器阵列适于测量与所述第一体积角度一致的水环境的体积内的三维运动；
其中，所述声学子系统控制器还适于选择性地操作第三声学收发器并且适于通过使用所述采样对对由第二多元件换能器阵列接收的模拟信号进行采样。
8.一种声学多普勒系统，包括：
声学子系统控制器，所述声学子系统控制器安装在水传感器平台上并且有效地连接到多个声学收发器；
所述多个声学收发器中的第一个，以第一声学频率工作，所述多个声学收发器中的第一个有效地连接到第一多元件换能器阵列，所述第一多元件换能器阵列适于测量水环境的第一体积内的三维运动；和
所述多个声学收发器中的第二个，以第二和不同的声学频率工作，所述多个声学收发器中的第二个有效地连接到第一换能器，所述第一换能器适于测量到与所述第一体积角度不一致的水环境中的体积内的对象的距离；
其中，所述声学子系统控制器适于选择性地操作第一声学收发器和第二声学收发器中的每一个，并且适于对由第一多元件换能器阵列接收的模拟信号进行采样，其中来自所述多元件换能器阵列中的各个单独的换能器的模拟信号被按采样对进行采样，所述采样对的成员相隔由相关联的声学收发器生成的发射声波的周期的四分之一。
9.一种对从多个声学收发器接收的声学多普勒信号进行采样的方法，其中，所述多个声学收发器中的第一个以第一声学频率工作且有效地连接到第一组至少一个换能器，所述多个声学收发器中的第二个以第二和不同的声学频率工作且有效地连接到第二组至少一个换能器；所述方法包括如下步骤：
a、对从所述第一组至少一个换能器中的被采样的换能器接收的模拟信号进行采样，所述采样包括以成对方式的采样频率获取的数值对，所述成对方式的采样频率是所述多个声学收发器中的第一个的工作频率的四倍；
b、对从所述第二组至少一个换能器中的被采样的换能器接收的模拟信号进行采样，所述采样包括以成对方式的采样频率获取的数值对，所述成对方式的采样频率是所述多个声学收发器中的第二个的工作频率的四倍；
c、将所述数值对处理为多普勒速度估计的分量，所述对的成员代表多普勒偏移信号的余弦分量和正弦分量。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括如下步骤：
d、对从被采样的换能器接收的模拟信号反复进行采样，在采样对之间具有周期延迟，所述周期延迟为所述多个声学收发器中的有效地连接到被采样的换能器的那一个的工作频率的整数个周期。

Claims (10)

1.一种声学多普勒系统，包括：
声学子系统控制器，所述声学子系统控制器有效地连接到多个声学收发器；
所述多个声学收发器中的第一个，以第一声学频率工作，所述多个声学收发器中的第一个有效地连接到第一组至少一个换能器；和
所述多个声学收发器中的第二个，以第二声学频率工作，所述多个声学收发器中的第二个有效地连接到第二组至少一个换能器；
其中，所述声学子系统控制器包括数字电路，所述数字电路被配置为对从所述第一组至少一个换能器和所述第二组至少一个换能器接收的模拟信号进行采样，对模拟信号成对地进行采样的所述数字电路具有成对方式的采样频率，所述成对方式的采样频率是所述多个声学收发器中的有效地连接到被采样的换能器的那一个的工作频率的四倍。
2.根据权利要求1所述的声学多普勒系统，其中所述数字电路对从被采样的换能器接收的模拟信号进行采样时在采样对之间具有周期延迟，所述延迟为所述多个声学收发器中的那一个的工作频率的整数个周期。
3.根据权利要求1所述的声学多普勒系统，其中所述声学子系统进一步包括多路复用器，所述多路复用器适于在多个模拟信道之间切换由所述数字电路采样的模拟信道，所述多个模拟信道中的每一个与单独的换能器相关联。
4.根据权利要求1所述的声学多普勒系统，其中所述声学子系统控制器适于独立于所述多个声学收发器中的其它声学收发器选择性地操作所述多个声学收发器中的各声学收发器。
5.根据权利要求4所述的声学多普勒系统，其中所述声学子系统控制器适于一次一个地、成组地和同时地选择性地操作所述多个声学收发器中的各声学收发器。
6.一种声学多普勒系统，包括：
声学子系统控制器，所述声学子系统控制器安装在水传感器平台上并且有效地连接到多个声学收发器；
所述多个声学收发器中的第一个，以第一声学频率工作，所述多个声学收发器中的第一个有效地连接到第一多元件换能器阵列，所述第一多元件换能器阵列适于测量水环境的第一体积内的三维运动；和
所述多个声学收发器中的第二个，以第二和不同的声学频率工作，所述多个声学收发器中的第二个有效地连接到第一换能器，所述第一换能器适于测量到与所述第一体积角度一致的水环境的体积内的对象的距离；
其中，所述声学子系统控制器适于选择性地操作第一声学收发器和第二声学收发器中的每一个，并且适于对由第一多元件换能器阵列接收的模拟信号按采样对进行采样，所述采样对的成员相隔由相关联的声学收发器生成的发射声波的周期的四分之一。
7.根据权利要求6所述的声学多普勒系统，还包括：
所述多个声学收发器中的第三个，以第三和不同的声学频率工作，所述多个声学收发器中的第三个有效地连接到第二多元件换能器阵列，所述第二多元件换能器阵列适于测量与所述第一体积角度一致的水环境的体积内的三维运动；
其中，所述声学子系统控制器还适于选择性地操作第三声学收发器并且适于对由第二多元件换能器阵列接收的模拟信号按采样对进行采样。
8.一种声学多普勒系统，包括：
声学子系统控制器，所述声学子系统控制器安装在水传感器平台上并且有效地连接到多个声学收发器；
所述多个声学收发器中的第一个，以第一声学频率工作，所述多个声学收发器中的第一个有效地连接到第一多元件换能器阵列，所述第一多元件换能器阵列适于测量水环境的第一体积内的三维运动；和
所述多个声学收发器中的第二个，以第二和不同的声学频率工作，所述多个声学收发器中的第二个有效地连接到第一换能器，所述第一换能器适于测量到与所述第一体积角度不一致的水环境中的体积内的对象的距离；
其中，所述声学子系统控制器适于选择性地操作第一声学收发器和第二声学收发器中的每一个，并且适于对由第一多元件换能器阵列接收的模拟信号按采样对进行采样，所述采样对的成员相隔由相关联的声学收发器生成的发射声波的周期的四分之一。
9.一种对从多个声学收发器接收的声学多普勒信号进行采样的方法，其中，所述多个声学收发器中的第一个以第一声学频率工作且有效地连接到第一组至少一个换能器，所述多个声学收发器中的第二个以第二和不同的声学频率工作且有效地连接到第二组至少一个换能器；所述方法包括如下步骤：
a、对从所述第一组至少一个换能器中的被采样的换能器接收的模拟信号进行采样，所述采样包括以成对方式的采样频率获取的数值对，所述成对方式的采样频率是所述多个声学收发器中的第一个的工作频率的四倍；
b、对从所述第一组至少一个换能器中的被采样的换能器接收的模拟信号进行采样，所述采样包括以成对方式的采样频率获取的数值对，所述成对方式的采样频率是所述多个声学收发器中的第二个的工作频率的四倍；
c、将所述数值对处理为多普勒速度估计的分量，所述对的成员代表多普勒偏移信号的余弦分量和正弦分量。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括如下步骤：
d、对从被采样的换能器接收的模拟信号进行采样，在采样对之间具有周期延迟，所述延迟为所述多个声学收发器中的有效地连接到被采样的换能器的那一个的工作频率的整数个周期。
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