CN108603926B - 检测和测距系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于检测和测距系统和方法的技术，以提高距离分辨率、目标分离和可靠性。一种方法包括选择性地衰减表示来自目标的测距系统返回或回波的信号，以便抑制由于噪声、干扰和/或失真而出现在信号中的旁瓣或其他不期望的伪像。一种方法可以附加地或替代地包括通过将接收到的返回与对测距系统照亮的目标所期望的返回进行比较来抑制测距系统返回中的干扰事件，如由其特定测距传感器的特性确定的，并且抑制或衰减不能在时间或空间上匹配这些特性的返回或部分返回。还公开了配置为执行这样的方法的系统，并包括换能器/天线(264)、收发器(234)、控制器(220)，和/或实施脉冲发生器(242)、相关器(244)、选择性衰减器(246)、比较器(250)、缓冲器(252)、减法器(254)和/或输出电路(214)的其他逻辑设备。

Description

检测和测距系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年11月13日提交的名称为““DETECTION AND RANGING SYSTEMSAND METHODS”的美国临时专利申请No.62/255,355的权益和优先权，其全部内容通过引用合并于此。
本申请要求2015年11月13日提交的名称为“DETECTION AND RANGING SYSTEMSAND METHODS”的美国临时专利申请No.62/255,351的权益和优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明的一个或多个实施例总体上涉及检测和测距系统，并且更具体地涉及例如用于利用检测和测距系统改进目标的反卷积和/或干扰抑制的系统和方法。
背景技术
检测和测距系统(例如雷达、声纳、激光雷达和/或其它测距感测系统)通常用于通过产生移动结构周围的环境的数据和/或影像来帮助导航，例如对于船只在水体上的航行至关重要的表示表面之上和/或表面之下特征的影像。检测和测距系统通常向目标发射脉冲并接收从目标反射的脉冲的回波，并且可以处理接收到的回波以检测和确定目标的距离。这种处理通常涉及对收到的信号进行反卷积以识别、分离或重建指示从目标反射的回波的信号。
然而，大多数检测和测距系统不能发射具有峰值发射功率的短脉冲，其允许目标的具有期望的距离分辨率的反卷积和目标分离。尽管可以采用信号处理技术(例如脉冲压缩技术)来提高距离分辨率和目标分离，但是脉冲压缩引入了距离旁瓣，其可能使目标看起来具有比实际更大的距离范围，并且因此通常可能使距离分辨率和目标分离退化。进一步，影响接收的信号的干扰、失真或其他伪像也可能使距离分辨率和目标分离退化。
发明内容
公开了用于检测和测距系统和方法的技术以提高距离分辨率、目标分离和可靠性。根据本公开的一个或多个实施例的系统和方法可以选择性地衰减(例如，选择性地减少或移除)代表来自目标的测距系统返回或回波的信号，以便抑制(例如，减少或移除)旁瓣或由于噪声、干扰和/或失真而出现在信号中的其他不期望的伪像。根据本公开的一个或多个实施例的系统和方法可以通过将接收到的返回信号与对由测距系统照亮的目标所期望的返回信号进行比较来可靠地去掉测距系统返回信号中的干扰事件，如由其特定测距传感器的特性确定的，并且去掉或者衰减在时间或空间上不符合这些特性的返回信号或部分返回信号。
在一个实施例中，一种方法包括向目标发射具有载波的脉冲，接收从目标反射的至少一部分脉冲作为返回信号，基于该返回信号和所述脉冲确定相关返回信号，将相关返回信号与相对于返回信号确定的一个或多个界限进行比较，衰减相关返回信号的落在一个或多个边界之外的那些部分，和提供具有由所述衰减抑制的弱相关和/或失真部分的相关返回信号。可以基于根据脉冲中的能量缩放的返回信号的缩放版本来确定所述下边界和上边界。在一些实施例中，可以调制脉冲内的载波的频率或相位以执行脉冲压缩，并且可以通过衰减有效地抑制由于脉冲压缩而出现在相关返回信号中的旁瓣。脉冲可以是雷达脉冲或声纳脉冲，并且脉冲的包络可以整形为矩形、三角形、梯形或高斯包络。
在另一个实施例中，一种系统包括：收发器/控制器，包括脉冲发生器电路，配置为产生具有载波的脉冲；相关器电路，配置为基于返回信号和脉冲来确定相关返回信号，该返回信号表示从目标反射的脉冲的至少一部分；选择性衰减器电路，配置为将相关返回信号与相对于返回信号确定的一个或多个边界进行比较，并衰减相关返回信号的落在一个或多个边界之外的那些部分；和输出电路，配置为提供相关返回信号作为目标测距信号，其中所述相关返回信号的弱相关和/或失真部分被选择性衰减电路抑制。该系统还包括换能器或天线，耦接到收发器/控制器并且配置为朝向目标发射脉冲并接收从目标反射的脉冲的至少一部分。相关器电路可以配置为至少通过确定返回信号与脉冲之间的互相关来确定相关返回信号。相关器电路和/或选择性衰减器电路可以在现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)或FPGA和DSP的组合中实施。该系统可以包括其中用于脉冲的载波是射频(RF)波的雷达系统，或者其中用于脉冲的载波是音频(AF)波的声纳系统。
在另一个实施例中，一种方法包括从测距系统接收第一和第二传感器返回信号，确定第一和/或第二传感器返回信号的梯度，以及至少部分地基于确定的梯度和/或测距系统的梯度极限来衰减第一和/或第二传感器返回信号。第一和第二传感器返回信号可以是彼此在方位上相邻的雷达系统传感器返回信号，或者彼此在距离上相邻的声纳系统传感器返回信号。至少可以通过从第二传感器返回信号中减去第一传感器返回信号来确定第一和/或第二传感器返回信号，确定第一或第二传感器返回信号具有比另一个更大的幅度，并且将梯度归因于较大幅度传感器返回信号。如果确定的梯度大于梯度极限，则至少通过将第一传感器返回信号的第一幅度设置为第二传感器返回信号的第二幅度来衰减第一和/或第二传感器返回信号，如果确定的梯度等于或小于梯度极限，则保持第一传感器返回信号的第一幅度和第二传感器返回信号的第二幅度，或者将第一传感器返回信号的第一幅度和/或所述第二传感器的第二幅度归零。根据一些实施例的方法可以进一步包括确定第一和/或第二传感器返回信号表示实际目标响应并且通过延迟缓冲器输出第一和/或第二传感器返回信号。
在另一个实施例中，一种系统包括逻辑设备，配置为与测距系统通信，其中逻辑设备配置为从测距系统接收第一和第二传感器返回信号，确定第一和/或第二传感器返回信号的梯度，至少部分地基于确定的梯度和/或测距系统的梯度极限来衰减第一和/或第二传感器返回信号。根据一些实施例的逻辑设备可以包括减法器，配置为确定第一和/或第二传感器返回的梯度；以及选择性衰减器，配置为至少部分地基于确定的梯度和/或测距系统的梯度极限来衰减第一和/或第二传感器返回。在一些实施例中，系统还可以包括用户接口，并且逻辑设备可以配置为产生包括第一和/或第二传感器返回信号的图像数据，并且使用用户接口的显示器来显示图像数据。
本发明的范围由权利要求限定，其通过引用并入本部分。通过考虑以下对一个或多个实施例的详细描述，本领域技术人员将会获得对本发明的实施例以及其附加优点的实施的更完整的理解。将参照将首先简要描述的附图。
附图说明
图1A示出了根据本公开实施例的遥感影像系统的框图；
图1B示出了根据本公开的实施例的遥感影像系统的图；
图2示出了根据本公开的实施例的遥感影像系统的图；
图3示出了根据本公开的实施例的提供目标反卷积的各种操作的流程图；
图4A和图4D示出了可以根据本公开的各种实施例产生和发射的脉冲；
图5A和图5B示出了可以根据本公开的各种实施例产生和发射的脉冲；
图6A示出了根据本公开的各种实施例的返回信号；
图6B示出了根据本公开的各种实施例的相关返回信号；
图7A－7F示出了根据本公开的各种实施例的返回信号、相关返回信号和选择性衰减的相关返回信号的示例图；
图8示出了根据本公开的实施例的用于测距系统的干涉滤波器；
图9A－B示出了根据本公开的实施例的用于测距系统的干涉滤波器；
图10A－C示出了根据本公开的各种实施例的未滤波和滤波的测距系统返回信号的示例图；
图11示出了根据本公开的实施例的用于在测距系统中滤波干扰的各种操作的流程图。
通过参考下面的详细描述可以最好地理解本发明的实施例及其优点。应该理解，相同的附图标记用于标识在一个或多个附图中示出的相同元件。
具体实施方式
图1A示出了根据本公开的实施例的检测和测距系统100的框图。在各种实施例中，系统100可以配置为使用声纳系统110和/或雷达系统160来检测目标和/或确定到目标的距离。就这一点而言，声纳系统110和/或雷达系统160可以配置为向目标发射脉冲或一系列脉冲(也称为脉冲串)，并接收从目标反射的发射脉冲的至少一部分作为返回信号(也称为回波)。然后系统100可以处理返回信号以对目标反卷积(例如，识别、分离或重建指示从目标反射的回波的信号)。在各种实施例中，系统100可以配置为选择性地衰减(例如，选择性地减少或移除)表示来自目标的返回信号或回波的信号的某些部分，以便抑制(例如，减少或移除)信号的不希望部分。例如，相关返回信号中的旁瓣(例如，由于发射脉冲的脉冲压缩而出现的旁瓣)、干扰、失真(例如，由于削波)、伪像或返回信号的其他弱相关部分可以根据本公开的一个或多个实施例被系统100有益地抑制。
在一些实施例中，系统100可以配置为使用OPS190和/或系统101的任何各种传感器来测量声纳系统110、雷达系统160、用户接口120和/或移动结构101的定向、位置、加速度和/或速率。然后，根据系统100和/或移动结构101的期望的操作，系统100可以使用这些测量值来从由声纳系统110提供的声纳数据、由雷达系统160提供的雷达数据和/或由不同类型测距系统(例如，其他模块180)提供的其他测距系统数据产生精确的图像数据。在一些实施例中，系统100可以通过用户接口120向用户显示结果影像，和/或使用声纳数据、雷达数据、定向和/或传感器数据和/或影像以控制移动结构101的操作，例如根据期望的航向(例如航向角107)来控制转向致动器150和/或推进系统170以驾驶移动结构101。
在图1A所示的实施例中，系统100可以实施为为特定类型的移动结构101(例如无人驾驶飞机、船只、飞机、机器人、车辆和/或其他类型的移动结构，包括任何设计为穿过或在水下、穿过空中和/或在地面上移动的平台)提供声纳数据和/或影像。在一个实施例中，系统100可以包括声纳系统110、雷达系统160、用户接口120、控制器130、OPS 190(例如，包括取向传感器140、陀螺仪/加速度计144和/或全球定位卫星系统(GPS)146)、速率传感器142、转向传感器/致动器150、推进系统170以及一个或多个其它传感器和/或致动器(例如其他模块180)的一个活多个。在一些实施例中，系统100的一个或多个元件可以实施在可以耦接到移动结构101和/或由移动结构101的用户保持或携带的组合外壳或结构中。
方向102、103和104描述了移动结构101的一个可能的坐标系(例如，用于由取向传感器140测量的航向或取向和/或由陀螺仪144和加速度计145测量的角速度和加速度)。如图1A所示，方向102示出了可以基本上平行于和/或对准移动结构101的纵向轴线的方向，方向103示出了可以基本上平行与和/或对准移动结构101的横向轴线的方向，并且方向104示出了可以基本平行于和/或对准移动结构101的垂直轴线的方向，如本文描述。例如，移动结构101的运动的侧倾分量可以对应于围绕方向102的旋转，俯仰分量可以对应于围绕方向103的旋转，并且偏航分量可以对应于围绕方向104的旋转。
航向角107可以对应于参考方向106(例如，地球磁场的局部分量)到水平面(例如，相对于移动结构101的局部的重力定义的“向下”的向量)上的投影以及方向102在同一水平面上的投影之间的夹角。在一些实施例中，参考方向106在水平面(例如，相对于重力定义的“向下”向量)上的投影可以被称为磁北。在各种实施例中，例如，在参考绝对坐标系的定向测量值可以称为绝对定向测量值(例如，“绝对”定向)的情况下，磁北、真北、“向下”向量和/或各种其他方向、位置和/或固定或相对参照系可定义绝对坐标系。在一些实施例中，定向测量值最初可以参考特定传感器(例如，声纳换能器组件或声纳系统110、OPS 190、取向传感器140和/或用户接口120的其他模块，例如)的坐标系，并且被变换(例如，使用用于一个或多个坐标系变换的参数)以参照绝对坐标系和/或移动结构101的坐标系。在各种实施例中，绝对坐标系可以被定义并且/或对应于具有一个或多个未定义的轴线的坐标系(例如移动结构101的局部水平面)，并且参考局部重力向量，但是具有未参考的和/或未定义的偏航参考(例如，不参照磁北)。
声呐系统110可以实施为一个或多个电和/或机械耦接的控制器、发射器、接收器、收发器、信号处理逻辑设备、各种电气部件、各种形状和尺寸的换能器元件、多信道换能器/换能器模块、换能器组件、组件支架、横挡支架和/或适用于调整声纳系统110的任何部件的定向的各种致动器，如本文描述。
例如，在各种实施例中，可以根据2014年5月30日提交的名称为“MULTICHANNELSONAR SYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请62/005,838和/或2014年2月21日提交的名称为“MODULAR SONAR TRANSDUCER ASSEMBLY SYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请61/943,170中描述的任何系统和方法来实施和/或操作，这两个申请的全部内容通过引用合并于此。在其他实施例中，可以根据可用于检测水柱内和/或水底的物体的其他声纳系统布置(例如，遥感系统布置)来实施声纳系统110。
更一般地，声纳系统110可以配置为发射一个、多个或一系列声学脉冲(例如，具有音频波作为载体的脉冲)，接收相应的声学返回信号(例如，回波)，并且将声学返回信号转换成声纳数据和/或影像(例如，遥感器影像数据)，例如测深数据、水深、水温、水柱/体积碎片、底部轮廓和/或其他类型的声纳数据。如本文所述，声纳系统110可以配置为将这样的数据和/或影像提供给用户接口120以例如向用户显示，或者提供给控制器130以进行附加处理。
在一些实施例中，可以使用紧凑设计来实施声纳系统110，其中多个声纳换能器、传感器和/或相关处理设备位于单个换能器组件外壳内，该换能器组件外壳配置为通过单个电缆与系统100的其余部分联系，该单个电缆提供到声纳系统110及来自声纳系统110的电力和通信。在一些实施例中，声纳系统110可以包括取向和/或位置传感器，其配置为帮助提供二维或三维路径点、增加声纳数据和/或影像质量和/或提供高度精确的测深数据，如本文所述。
例如，渔民需要非常详细和准确的信息和/或水下结构和中水目标(例如，鱼)的影像。如本文所述，常规声纳系统可能昂贵且体积庞大并且通常不能用于提供相对精确和/或无失真的水下视图。声纳系统110的实施例包括可配置为产生详细的二维和三维声纳数据和/或影像的低成本单、双和/或多信道声纳系统。在一些实施例中，例如，声纳系统110可以将电子器件和换能器整合到单个防水封装中以减小尺寸和成本，并且可以通过与系统100的其他设备的单一连接来实施(例如，经由具有以太网供电的以太网电缆、整体电力电缆和/或集成到单个接口电缆中的其他通信和/或电力传输导线管)。
在各种实施例中，如本文所述的，声纳系统110可以配置为使用选择的配置和/或处理方法从多种可选择的视角提供许多不同的显示视图，包括向下成像，侧面成像和/或三维成像。在一些实施例中，声纳系统110可以用结合有一个或两个换能器和/或相关联的电子器件的单个换能器组件外壳来实施。在其他实施例中，声纳系统110可以用包含多信道换能器和/或相关联的电子器件的换能器组件外壳来实施。在这样的实施例中，声纳系统110可以配置为使用多信道换能器的传输信道和/或元件来发送声束，使用多信道换能器的多个接收信道和/或元件来接收声学返回信号，并且对声学返回信号执行波束成形和/或干涉处理以产生二维和/或三维声纳影像。在一些实施例中，声纳系统110的一个或多个声纳发射器可以配置为使用CHIRP传输来提高距离分辨率并且因此减少通常在干涉处理技术中固有的模糊度。
在各种实施例中，声纳系统110可以用其自己的专用OPS 190来实施，其可以包括各种取向和/或位置传感器(例如，类似于取向传感器140、陀螺仪/加速度计144和/或GPS146)，该各种取向和/或位置传感器结合在换能器组件外壳内以提供换能器组件和/或换能器的三维取向和/或位置，以供用于在处理或后处理用于显示的声纳数据。传感器信息可以用于校正声穿透之间的换能器组件的移动，以例如提供对应的声学返回信号/样本的改进的对准和/或基于所测量的换能器组件的取向和/或位置产生影像。在其他实施例中，外部取向和/或位置传感器可以单独使用或与集成的传感器或多个传感器组合使用。
在声纳系统110用位置传感器实施的实施例中，声纳系统110可以配置为提供各种声纳数据和/或影像增强。例如，声纳系统110可以配置为提供声纳数据和/或远离移动系统101的用户定义的路径点的精确定位。类似地，声纳系统110可以配置为提供一系列声纳数据的精确的二维和/或三维聚合和/或显示；在没有位置数据的情况下，声纳系统通常假定直线轨迹，其可能导致相应声纳数据和/或影像中的影像伪像和/或其他不准确性。此外，当利用位置传感器实施和/或与远程但相对固定的位置传感器(例如，GPS 146)联系时，声纳系统110可以配置为产生水底部的精确和详细的水深视图。
在声纳系统110利用取向和/或位置传感器实施的实施例中，声纳系统110可以配置为将这种地点/位置信息连同系统100可获得的其他传感器信息(声学返回信号、温度测量值、文本描述、水深、高度、移动结构速率和/或其他传感器和/或控制信息)一起存储。在一些实施例中，控制器130可以配置为产生查找表，使得用户可以选择声纳系统110的期望配置，以用于特定位置或与其他一些传感器信息进行协调。或者，可以使用自动调整算法来基于传感器信息选择最佳配置。
例如，在一个实施例中，移动结构101可以位于位于使用位置数据在图表上标识的区域中，用户可能已经选择了用于声纳系统110的配置的用户设置，并且控制器130可以配置为控制致动器和/或以其他方式实施声纳系统110的配置(例如，设定特定取向)。在又一个实施例中，控制器130可以配置为接收用于移动结构101的取向测量值。在这种实施例中，控制器130可以配置为控制与换能器组件相关联的致动器以相对于例如移动结构和/或水面保持其取向，并因此改进显示的声纳图像(例如，通过确保一致取向的声束和/或一系列声学返回信号的适当配准)。在各种实施例中，控制器130可以配置为控制转向传感器/致动器150和/或推进系统170以调整移动结构101的位置和/或取向以帮助确保一系列声学返回信号、声纳数据和/或声纳影像的适当配准。
尽管图1A示出了与声纳系统110分离的系统100的各种传感器和/或其它部件，但是在其他实施例中，系统100的传感器和部件中的任何一个或其组合可以与声纳组件、致动器、换能器模块和/或声纳系统110的其它部件集成。例如，OPS 190可以与声纳系统110的换能器模块集成并且配置为将换能器模块的绝对和/或相对取向(例如，滚动、俯仰和或偏航)的测量值提供至控制器130和/或用户接口120，这两者也可以与声纳系统110集成。
雷达系统160可以实施为一个或多个电和/或机械耦接的控制器、发射器、接收器、收发器、信号处理逻辑设备、各种电气部件、各种形状和尺寸的天线元件、多信道天线/天线模块、雷达组件、组件支架、桅杆支架和/或适用于调整雷达系统160的任何部件的取向的各种致动器，如本文所述。例如，在各种实施例中，可以根据各种雷达系统布置(例如，检测和测距系统布置)来实施雷达系统160，其可以用于检测地面或者水体表面上或上方的物体的特征并确定到物体的距离。
更一般地，雷达系统160可以配置为发射一个、多个或一系列雷达脉冲(例如，具有作为载体的射频波的脉冲)，接收相应的雷达返回信号(例如回波)，并且将雷达返回信号转换成雷达数据和/或影像(例如，遥感器图像数据)，例如一个或多个强度曲线图和/或强度曲线图的集合，所述强度曲线图指示结构、天气现象、波浪、其他移动结构、表面边界和/或将雷达脉冲反射到雷达系统160处的其他物体的相对位置、取向和/或位置和/或其他特征。声呐系统110可以配置为向用户接口120提供这样的数据和/或影像以向例如用户或者控制器130显示，以进行附加处理，如本文所述。而且，这样的数据可以用于产生对应于AIS数据、ARPA数据、MARPA数据和/或一个或多个其他目标跟踪和/或识别协议的一个或多个图表。
在一些实施例中，雷达系统160可以使用紧凑设计来实施，其中多个雷达天线、传感器和/或相关联的处理设备位于单个雷达组件外壳内，该雷达组件外壳配置为通过提供到雷达系统160和来自雷达系统160的电力和通信两者的单个电缆与系统100的其余部分联系。在一些实施例中，雷达系统160可以包括取向和/或位置传感器(例如，OPS 190)，其配置为帮助提供二维或三维路径点、增加雷达数据和/或影像质量和/或提供高度精确的雷达图像数据，如本文所述。
例如，渔民希望关于局部和远程结构以及其他船只的高度详细和准确的信息和/或影像。如本文所述，常规雷达系统可能昂贵且体积庞大并且通常不能用于提供相对准确和/或无失真的雷达图像数据。雷达系统160的实施例包括可配置为产生详细的二维和三维雷达数据和/或影像的低成本单、双和/或多信道(例如，合成孔径)雷达系统。在一些实施例中，雷达系统160可以将电子器件和换能器整合到单个防水封装中以例如减小尺寸和成本，并且可以通过与系统100的其他设备的单一连接来实施(例如，经由具有以太网供电的以太网电缆、整体电力电缆和/或集成到单个接口电缆中的其他通信和/或电力传输导线管)。
在各种实施例中，雷达系统160可以用其自己的专用OPS 190来实施，其可以包括各种取向和/或位置传感器(例如，类似于取向传感器140、陀螺仪/加速度计144和/或GPS146)，该各种取向和/或位置传感器结合在雷达组件外壳内以提供用于在处理或后处理雷达数据以供显示时使用的雷达组件和/或天线的三维取向和/或位置。传感器信息可以用于校正雷达组件在波束发射之间的移动，以例如提供对应的雷达返回信号/样本的改进的对准，和/或基于对雷达组件/天线的测量的取向和/或位置产生影像。在其他实施例中，外部取向和/或位置传感器可以单独使用或与集成的传感器或多个传感器组合使用。
在雷达系统160用位置传感器实施的实施例中，雷达系统160可以配置为提供各种雷达数据和/或影像增强。例如，雷达系统160可以配置为提供远离移动系统101的雷达数据和/或用户定义的路径点的准确定位。类似地，雷达系统160可以配置为提供一系列雷达数据的精确的二维和/或三维集合和/或显示；在没有取向数据或位置数据来帮助确定轨迹或航向的情况下，雷达系统通常假定直线轨迹，其可能导致相应雷达数据和/或影像中的图像伪像和/或其他不准确性。另外，当利用位置传感器实施时，雷达系统160可以配置为产生水表面上的物体的准确且详细的强度曲线图，而不需要访问磁力计。
在雷达系统160用取向和/或位置传感器实施的实施例中，雷达系统160可以配置为存储这样的对系统100可用的地点/位置信息以及其他传感器信息(雷达返回信号、温度测量、文本描述、高度、移动结构速率和/或其他传感器和/或控制信息)。在一些实施例中，控制器130可以配置为产生查找表，使得用户可以选择雷达系统160的期望配置以用于特定地点或者配合一些其他传感器信息。或者，可以使用自动调整算法来基于传感器信息选择最佳配置。
例如，在一个实施例中，移动结构101可以位于在使用位置数据在图表上标识的区域中，用户可以已经选择用于雷达系统160的配置的用户设置，并且控制器130可以配置为控制致动器和/或以其他方式实施雷达系统160的配置(例如，设置特定的取向和/或位置或转速)。在又一个实施例中，控制器130可以配置为接收移动结构101的取向测量值。在这种实施例中，控制器130可以配置为控制与雷达组件相关联的致动器以相对于例如移动结构和/或水面保持其取向，并且因此改进显示的声纳图像(例如，通过确保一致定向的雷达波束和/或适当配准一系列雷达返回信号)。在各种实施例中，控制器130可以配置为控制转向传感器/致动器150和/或推进系统170以调整移动结构101的位置和/或取向以帮助确保适当配准一系列雷达返回信号、雷达数据和/或雷达影像。
尽管图1A示出了与雷达系统160分离的系统100的各种传感器和/或其它部件，但是在其他实施例中，系统100的传感器和部件中的任何一个或组合可以与雷达系统160的雷达组件、致动器、换能器模块和/或其他部件集成。例如，OPS 190可以与声纳系统110的天线平台集成，并且配置为将天线的绝对和/或相对取向(例如，滚动、俯仰和或偏航)提供到控制器130和/或用户接口120，这两者也都可以与雷达系统160集成。
用户接口120可以实施为显示器、触摸屏、键盘、鼠标、操纵杆、旋钮、方向盘、船的驾驶轮或舵、轭和/或能够接受用户输入和/或向用户提供反馈的任何其他设备。在各种实施例中，用户接口120可以适用于向系统100的其他设备(例如控制器130)提供用户输入(例如，作为一种信号和/或传感器信息)。用户接口120也可以用可以适用于执行指令(例如软件指令)的一个或多个逻辑设备实施，实施本文描述的各种过程和/或方法中的任一个。例如，用户接口120可以适用于形成通信链路，发射和/或接收通信(例如，传感器信号、控制信号、传感器信息、用户输入和/或其他信息)，确定各种坐标系和/或取向，确定一个或多个坐标系变换的参数和/或执行坐标系变换，例如，或执行各种其他过程和/或方法。
在各种实施例中，用户接口120可以适用于接受用户输入，例如形成通信链路，以选择特定无线联网协议和/或用于特定无线联网协议和/或无线链路的参数(例如，密码、加密密钥、MAC地址、设备标识号、设备操作配置文件、用于设备操作的参数和/或其他参数)来选择处理传感器信号的方法以确定传感器信息，以调整铰接式传感器的位置和/或取向，并且/或以其他方式促进系统100和系统100内的设备的操作。一旦用户接口120接受用户输入，则用户输入可以通过一个或多个通信链接发射到系统100的其他设备。
在一个实施例中，用户接口120可以适用于通过例如由一个或多个相关联的逻辑设备形成的通信链路接收传感器信号或控制信号(例如，来自取向传感器140和/或转向传感器/致动器150)，并且向用户显示传感器和/或对应于接收到的传感器信号或控制信号的其他信息。在相关实施例中，用户接口120可以适用于处理传感器信号和/或控制信号以确定传感器和/或其他信息。例如，传感器信号可以包括移动结构101的取向、角速度、加速度、速率和/或位置。在这样的实施例中，用户接口120可以适用于处理传感器信号以确定传感器信息例如指示声纳系统110、雷达系统160和/或移动结构101的估计和/或绝对滚动、俯仰和/或偏航(姿态和/或速率)和/或位置或一系列位置，并且将传感器信息作为反馈显示给用户。在一个实施例中，用户接口120可以适用于显示各种传感器信息和/或其他参数的时间序列，作为可以参照移动结构101的位置和/或取向的图表或地图的一部分或覆盖在该图表或地图上。例如，用户接口120可以适用于叠加在地理地图上显示移动结构101和/或系统100的其他元件(例如，换能器组件和/或声纳系统110的模块，或雷达系统160的天线或雷达组件)的位置、航向和/或取向的时间序列，该地理地图可以包括指示致动器控制信号、传感器信息和/或其他传感器和/或控制信号(包括声纳和/或雷达图像数据)的相应时间序列的一个或多个图表。
在一些实施例中，用户接口120可以适用于接受例如包括用户定义的目标航向、路线(例如，雷达系统160的轨迹)和/或换能器模块的取向的用户输入，并且产生用于转向传感器/致动器150和/或推进系统170的控制信号以使移动结构101根据目标航向、路线和/或取向而移动。在进一步的实施例中，例如，用户接口120可以适用于接受包括耦接到移动结构101的致动设备(例如，声纳系统110、雷达系统160)的用户定义的目标姿态/绝对角频率的用户输入，并且产生用于根据目标姿态/角频率调节致动设备的取向和/或位置或旋转的控制信号。更一般地，例如，用户接口120可以适用于向用户显示传感器信息，和/或将传感器信息和/或用户输入发射到系统100的其他用户接口、传感器或控制器，例如用于显示和/或进一步处理。在一个实施例中，用户接口120可以与一个或多个传感器(例如，成像模块、位置和/或取向传感器、其他传感器)集成和/或是便携式的(例如，例如便携式触摸显示器或智能电话，例如，或可穿戴用户接口)以促进与移动结构101的各种系统的用户交互。
控制器130可以实施为任何适当的逻辑设备(例如，处理设备、微控制器、处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、存储器存储设备、存储器读取器或其他设备或设备的组合)，其可以适用于执行、存储和/或接收适当的指令，例如实施用于控制声纳系统110、雷达系统160、转向传感器/致动器150、移动结构101和/或系统100的各种操作的控制回路的软件指令。这样的软件指令还可以实施方法用于处理传感器信号、确定传感器信息、提供用户反馈(例如，通过用户接口120)、查询设备的操作参数、选择设备的操作参数或者执行本文所述的各种操作的任何一个(例如，由系统100的各种设备的逻辑设备执行的操作)。
另外，可以提供机器可读介质用于存储用于加载到控制器130并由控制器130执行的非暂时性指令。在这些和其他实施例中，控制器130可以在适当的情况下用其他组件来实施，例如易失性存储器、非易失性存储器、一个或多个接口和/或用于与系统100的设备进行接口连接的各种模拟和/或数字部件。例如，控制器130可以适用于存储传感器信号、传感器信息、用于坐标系变换的参数、校准参数，校准点集合和/或其他操作参数，例如随着时间的推移，并且使用用户接口120将这样的存储的数据提供给用户。在一些实施例中，控制器130可以与一个或多个用户接口(例如，用户接口120)集成，并且在一个实施例中，可以共享一个或多个通信模块。如本文所指出的，控制器130可以适用于执行一个或多个控制回路，用于致动设备控制、转向控制(例如，使用转向传感器/致动器150)和/或执行移动结构101和/或系统100的其他各种操作。在一些实施例中，控制回路可以包括处理传感器信号和/或传感器信息以控制声纳系统110、雷达系统160、移动结构101和/或系统100的一个或多个操作。
OPS 190可以实施为配置为提供与系统100的一个或多个元件相关的取向和/或位置数据的取向和/或位置传感器(例如，取向传感器140、加速度计/陀螺仪144、GPS 146)的集成选择。例如，OPS 190的实施例可以与移动结构101、声纳系统110和/或雷达系统160集成并且配置为提供对应于移动结构101、声纳系统110的声纳换能器和/或雷达系统160的雷达天线的质心的取向和/或位置数据。这样的测量值可以参考例如绝对坐标系，或者可以参考OPS 190和/或与OPS 190集成的各个传感器的任何一个的坐标系。更一般地，OPS 190提供单个的、相对紧凑的集成设备，其可以在系统100的各个元件上复制，其在一些实施例中可以包括用于数据和/或电源的单个/简化的接口。在各种实施例中，例如在被制造时，集成到OPS 190中的一个或多个取向和/或位置传感器的坐标系可以彼此参考(例如，参考OPS190的单个坐标系)，以减少或消除在系统100的操作期间确定组合来自OPS 190的多个传感器的数据所需进行的坐标系转换。
取向传感器140可以实施为指南针、浮子、加速度计、磁力计和/或能够测量移动结构101的取向(例如，相对于例如重力和/或磁北的一个或多个参考取向的滚动、俯仰和/或偏航的大小和方向)的其他数字或模设备中的一个或多个，并且提供这样的测量值作为可以传送到系统100的各种设备的传感器信号。在一些实施例中，取向传感器140可以适用于为移动结构101提供航向测量值。在其他实施例中，取向传感器140可以适用于为移动结构101提供滚动、俯仰和/或偏航率(例如，使用取向测量值的时间序列)。例如，取向传感器140可以被定位和/或适用于相对于移动结构101的特定坐标系进行取向测量。在各种实施例中，取向传感器140可以根据2014年5月15日提交的名称为“AUTOMATIC COMPASSCALIBRATION SYSTEMS AND METHODS”的国际申请PCT/US14/38286中描述的任何系统和方法来实施和/或操作，该国际申请全部内容通过引用并入本文。
速率传感器142可以实施为电子皮托管、计量齿轮或轮子、水速率传感器、风速率传感器、风速度传感器(例如，方向和大小)和/或其他能够测量或确定移动结构101的线速率的设备(例如，在周围介质中和/或与移动结构101的纵向轴线对准)，并且提供这样的测量值作为可以传送到系统100的各种设备的传感器信号。在一些实施例中，速率传感器142可以适用于提供周围介质相对于传感器142和/或移动结构101的速度。
陀螺仪/加速度计144可以实施为一个或多个如下的设备：电子六分仪、半导体设备、集成芯片、加速度计传感器、加速度计传感器系统或能够测量移动结构101的角速度/加速度和/或线性加速度(例如，方向和大小)的其他设备，并且提供这样的测量值作为可以传送到系统100的其他设备(例如，用户接口120、控制器130)的传感器信号。例如，陀螺仪/加速度计144可以定位和/或适用于获得与移动结构101的特定坐标系相关的这样的测量值。在各种实施例中，陀螺仪/加速度计144可以实施在公共外壳和/或模块中以确保公共参考系或参考系之间的已知变换。
GPS 146可以实施为全球定位卫星接收器和/或能够例如基于从例如宇宙飞船和/或陆地来源接收的无线信号确定移动结构101(例如，或移动结构101的元件，例如声纳系统110、雷达系统160和/或用户接口120)的绝对和/或相对位置的其它设备，并且能够提供这样的测量值作为可以传送到系统100的各种设备的传感器信号。更一般地，GPS 146可以实施到多个不同GNSS的任何一个或其组合。在一些实施例中，GPS 146可以用来确定移动结构101的速度、速率、COG、SOG、轨迹和/或偏航率(例如，使用位置测量值的时间序列)，例如移动结构101的绝对速度和/或角速度的偏航分量。在各种实施例中，系统100的一个或多个逻辑设备可以适用于确定移动结构101的计算速率和/或来自此传感器信息的角速度的计算偏航分量。
转向传感器/致动器150可以适用于根据由系统100的逻辑设备(例如控制器130)提供的一个或多个控制信号、用户输入和/或稳定的姿态估计来物理地调整移动结构101的航向。转向传感器/致动器150可以包括移动结构101的一个或多个致动器和控制表面(例如，方向舵或其他类型的转向或调整机构)，并且可以适用于将控制表面物理地调整为各种正和/或负转向角度/位置。
推进系统170可以实施为螺旋桨、涡轮机或其他基于推力的推进系统、机械轮式和/或履带式推进系统、基于帆的推进系统和/或可以用于向移动结构101提供动力的其他类型的推进系统。在一些实施例中，例如，推进系统170可以是非铰接的，使得由推进系统170产生的动力和/或推力的方向相对于移动结构101的坐标系固定。非铰接式推进系统的非限制性示例包括，例如用于具有固定推力向量的船只的舷内马达，或例如固定式飞机螺旋桨或涡轮机。在其他实施例中，例如，推进系统170可以被铰接，并且例如可以与转向传感器/致动器150连接和/或集成，使得所产生的动力和/或推力的方向相对于移动结构101的坐标系是可变的。铰接式推进系统的非限制性示例包括例如用于船只的舷外马达，用于具有可变推力向量/端口(例如，用于驾驶船只)的船只的舷内马达，例如，帆或具有可变推力向量的飞机螺旋桨或涡轮机。
例如，其他模块180可以包括用于提供移动结构101的附加环境信息的其他和/或附加传感器、致动器、通信模块/节点和/或用户接口设备。在一些实施例中，其他模块180可以包括湿度传感器、风和/或水温度传感器、气压计、雷达系统、可见光谱相机、红外相机和/或提供可以向用户显示和/或由系统100的其他设备(例如，控制器130)使用的测量值和/或传感器信号的其他环境传感器，来提供对移动结构101和/或系统100的操作控制，所述操作控制补偿环境条件(例如风速率和/或方向、膨胀速率、幅度和/或方向和/或移动结构101的路径中的物体)。
在其它实施例中，其他模块180可以包括耦接到移动结构101的一个或多个致动设备(例如，聚光灯、红外照明器、照相机、雷达、声纳、激光雷达、其他测距系统和/或其他致动设备)，其中每个致动设备包括一个或多个致动器，该致动器适用于响应于一个或多个控制信号(例如，由控制器130提供)来相对于移动结构101调整设备的取向。其他模块180可以包括例如传感元件角度传感器，其可以物理地耦接到雷达系统160的雷达组件外壳，并且配置为测量天线/传感元件的取向与所述外壳和/或移动结构101的纵向轴线之间的角度。其他模块180还可以包括用于雷达系统160的旋转天线平台和/或相应的平台致动器。在一些实施例中，其他模块180可以包括例如与OPS 190集成的一个或多个亥姆霍兹线圈，并且配置为选择性地抵消地球磁场的一个或多个分量。
通常，系统100的每个元件可以用任何适当的逻辑设备(例如，处理设备、微控制器、处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、存储器存储设备、存储器读取器或其他设备或设备的组合)来实施，这些设备可以适用于执行、存储和/或接收适当的指令，例如实施用于提供声纳数据和/或影像的方法的软件指令，或者用于发射和/或接收系统100的一个或多个设备之间的通信(例如传感器信号、传感器信息和/或控制信号)。在一个实施例中，这样的方法可以包括从各种传感器接收移动结构101和/或声纳系统110的取向、加速度、位置和/或速率的指令，以从传感器信号确定换能器取向调整(例如，相对于期望的换能器取向)，并/或控制致动器以相应地调整换能器取向，例如如本文所述。在进一步的实施例中，这种方法可以包括用于在系统100的各种设备之间形成一个或多个通信链路的指令。
另外，可以提供一个或多个机器可读介质用于存储非暂时性指令，该非暂时性指令用于加载到由系统100的一个或多个设备实施的任何逻辑设备并由其执行。在这些和其他实施例中，所述逻辑设备可以在适当的情况下用其他部件实施，例如，易失性存储器、非易失性存储器和/或一个或多个接口(例如，集成电路间(I2C)接口、移动工业处理器接口(MIPI)、联合测试行动组(JTAG)接口(例如，IEEE 1149.1标准测试接入端口和边界扫描架构)和/或其他接口(例如用于一个或多个天线的接口或用于特定类型的传感器的接口))。
系统100的每个元件例如可以用一下设备一个或多个实现：放大器、调制器、相位调整器、波束成形部件、数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、各种接口、天线、换能器和/或为了使系统100的一个或多个设备之间进行有线和/或无线通信，例如使系统100的每个设备能够发射和/或接收信号的其它模拟和/或数字部件。例如，这些部件可以与系统100的对应元件集成。在一些实施例中，如本文所述，可以使用相同或相似的部件来执行一个或多个传感器测量。
例如，可以使用相同或相似的部件来创建声脉冲(例如，发射控制信号和/或数字整形控制信号)，将声脉冲转换为激励信号(例如，整形或未整形的发射信号)并将其发射到声纳换能器元件以产生声束，接收声学返回信号(例如，由声纳换能器元件接收的声波和/或来自声纳换能器元件的对应电信号)，将声学返回信号转换为声学返回数据，和/或存储传感器信息、配置数据和/或与声纳系统的操作对应的其它数据，如本文所述。类似地，可以使用相同或相似的部件来创建雷达脉冲(例如，发射控制信号和/或数字整形控制信号)，将雷达脉冲转换为激励信号(例如，整形或未整形的发射信号)并将其发射到雷达天线以产生雷达波束，接收雷达返回信号(例如，由雷达天线接收的电磁波和/或来自雷达天线的相应电信号)，将雷达返回信号转换为雷达返回数据，和/或存储传感器信息、配置数据和/或与雷达系统的操作相对应的其它数据，如本文所述。
传感器信号、控制信号和其他信号可以使用各种有线和/或无线通信技术(包括电压信令、以太网、WiFi、蓝牙、Zigbee、Xbee、Micronet或其他介质和/或短距离有线和/或无线网络协议和/或实施方式)在系统100的元件之间通信。在这样的实施例中，系统100的每个元件可以包括支持有线、无线和/或有线和无线通信技术的组合的一个或多个模块。
在一些实施例中，例如系统100的各种元件或元件的一部分可以彼此集成，或者可以集成到单个印刷电路板(PCB)上以降低系统复杂性、制造成本、功率需求和/或各种传感器测量值之间的定时误差。例如，陀螺仪/加速度计144、用户接口120和控制器130可以配置为共享一个或多个部件，例如存储器、逻辑设备、通信模块和/或其他部件，并且这种共享可以用于减少和/或基本消除这种定时误差，同时降低整个系统的复杂性和/或成本。
系统100的每个元件可以包括例如一个或多个电池或其他电力存储设备，并且可以包括一个或多个太阳能电池或其他发电设备(例如，风力或水力涡轮机，或者从系统100的一个或多个元件的运动产生电力的发电机)。在一些实施例中，一个或多个设备可以由移动结构101的电源使用一个或多个电源线供电。这样的电源线也可以用于支持系统100的元件之间的一种或多种通信技术。
在各种实施例中，系统100的逻辑设备(例如，取向传感器140和/或系统100的其他元件)可以适用于确定参数(例如，使用来自系统100的各种设备的信号)来在静止和/或运动中将声纳系统110和/或系统100的其他传感器的坐标系转换成移动结构101的坐标系和/或其它坐标系，或者从移动结构101的坐标系和/或其它坐标系转换成声纳系统110和/或系统100的其他传感器的坐标系，如本文所述。例如，系统100的一个或多个逻辑设备可以适用于使用这些参数来将声纳系统110、雷达系统160和/或系统100的其他传感器的坐标系变换成取向传感器140和/或移动结构101的坐标系或者从取向传感器140和/或移动结构101的坐标系转化成声纳系统110、雷达系统160和/或系统100的其他传感器的坐标系。进一步，例如，可以使用这些参数来确定和/或计算对声纳系统110和/或雷达系统160的取向的一个或多个调整，这对于将声纳系统110和/或雷达系统160的坐标系与取向传感器140和/或移动结构101的坐标系或绝对坐标系进行物理对准是必须的。例如，根据这些参数确定的调整可以用于选择性地功率调整伺服系统/致动器(例如，声纳系统110、雷达系统160和/或系统100的其它传感器或元件)，或者可以通过用户接口120传输给用户，如本文所述。
图1B示出了根据本公开的实施例的系统100B的图。在图1B所示的实施例中，与图1A的系统100类似，可以实施系统100B来提供与移动结构101的操作一起使用的声纳和/或雷达数据和/或影像。例如，系统100B可以包括声纳系统/OPS 110/190、雷达系统/OPS 160/190、集成用户接口/控制器120/130、辅助用户接口120、转向传感器/致动器150、传感器集群/OPS 190(例如，取向传感器140、陀螺仪/加速度计144和/或GPS146)以及各种其他传感器和/或致动器。在图1B所示的实施例中，移动结构101实施为机动船，其包括船体105b、甲板106b、横挡107b、耦接到桅杆/传感器安装座108b的雷达系统/OPS 160/190、方向舵152、舷内马达170以及耦接到横挡107b的致动声纳系统110。在其他实施例中，船体105b、甲板106b、桅杆/传感器安装座108b、方向舵152、舷内马达170以及各种致动设备可以对应于客机或其他类型的车辆、机器人或无人机的属性，例如作为底盘、客舱、发动机/发动机舱、行李箱、顶、转向机构、前照灯、雷达系统和/或车辆的其他部分。
如图1B所示，移动结构101包括致动声纳系统110，该致动声纳系统110又包括与换能器组件112集成的OPS 190，该OPS 190通过组件支架/致动器116和横挡支架/电导管114耦接到移动结构101的横挡107b。在一些实施例中，组装支架/致动器116例如可以实施为滚动、俯仰和/或偏航致动器，并且可以适用于根据由用户接口/控制器120/130提供的控制信号和/或移动结构101的取向(例如，滚动、俯仰和/或偏航)或位置来调整换能器组件112的取向。例如，用户接口/控制器120/130可以适用于接收换能器组件112的取向，该换能器组件112配置为对周围的水的一部分和/或参考绝对坐标系的方向进行声穿透，并且使用移动结构101的一个或多个取向和/或位置和/或通过执行本文描述的各种方法得到的其他传感器信息，响应于移动结构101的运动，调整换能器组件112的取向来保持位置和/或方向的声穿透。
在另一个实施例中，用户接口/控制器120/130可以配置为调整换能器组件112的取向以在移动结构101的运动期间基本上向下和/或沿着水下轨迹从换能器组件112引导声呐发射。在这种实施例中，水下轨迹例如可以是预先确定的，或者可以基于标准参数(例如最小允许深度、最大声穿透深度、水深路线和/或其它标准参数)来确定。换能器组件112可以用声纳位置和/或取向传感器(SPOS)来实施，该声纳位置和/或取向传感器可以包括例如对应于取向传感器140、陀螺仪/加速度计144和/或GPS 146的一个或多个传感器，配置为提供换能器组件112绝对和/或相对位置和/或取向，以促进换能器组件112的致动取向。
图1B中还示出了雷达系统160，其包括集成的OPS 190和雷达天线平台和致动器，配置为使雷达天线围绕基本上与移动结构101的垂直轴线104对准的垂直轴线旋转。在一些实施例中，用户接口/控制器120/130可以配置为接收来自雷达系统/OPS 160/190的雷达组件的雷达返回信号以及来自雷达系统/OPS 160/190的相应的取向和/或位置数据(例如，对应于当接收到雷达返回信号时雷达系统160的天线的取向和/或位置)，并且然后至少部分地基于雷达返回信号和对应的取向和/或位置数据产生雷达图像数据。
更一般地，声纳系统110和雷达系统160都是检测和测距系统的类型，每个系统具有包括适用于安装到移动结构101的外壳的遥测组件(例如，声纳组件、雷达组件)，每个系统具有布置在其各自外壳内并适合于测量相关联的传感元件(例如，声纳换能器、雷达天线)的取向和/或位置的OPS，并且每个系统可以访问逻辑设备(例如，控制器130)或与逻辑设备集成，该逻辑设备配置为接收来自相应的遥感组件的遥感器返回信号和来自相应的OPS的传感器返回取向和/或位置数据，并且至少部分地基于遥感器返回信号和传感器返回取向和/或位置数据来产生遥感器图像数据。一旦接收到遥感器图像数据，例如，用户接口/控制器120/130可以配置为在任何一个用户接口120的显示器上呈现遥感器图像数据。在一些实施例中，多组遥感器图像数据可以使用一个或多个地理参考、目标参考和/或源参考覆盖图显示在相同的用户接口上。
在一个实施例中，用户接口120可以基本在甲板106b和/或桅杆/传感器安装座108b上安装到移动结构101。这样的安装座例如可以是固定的，或者可以包括万向节和其他调平机构/致动器，使得用户接口120的显示器可以相对于水平和/或“向下”向量(例如，以模仿典型用户头部运动/取向)保持基本水平，或者可以根据用户期望的视图来取向显示器。在另一个实施例中，用户接口120中的至少一个可以位于移动结构101附近并且在移动结构101的整个用户层面(例如，甲板106b)上是可移动/便携的。例如，辅助用户接口120可以使用系索、带子、头带和/或其他类型的用户附接设备来实施，并且物理地耦接到移动结构101的用户，以便接近用户和移动结构101。在各种实施例中，用户接口120可以用集成到相应用户接口的PCB中的相对薄的显示器来实施，以便减小尺寸、重量、外壳复杂性和/或制造成本。
如图1B所示，在一些实施例中，速率传感器142可以安装到移动结构101的一部分(例如船体105b)，并且适用于测量相对水速率。在一些实施例中，速率传感器142可以适用于具有薄轮廓以减少和/或避免水阻力。在各种实施例中，速率传感器142可以安装到移动结构101的基本上在外侧的一部分，容易操作容易接近。速率传感器142可以包括例如一个或多个电池和/或其它电力存储设备，并且可以包括一个或多个水动力涡轮机以产生电力。在其他实施例中，速率传感器142可以由用于移动结构101的电源供电，例如使用穿过船体105b的一个或多个电力引线。在替代实施例中，速率传感器142可以例如实施为风速度传感器，并且可以安装到桅杆/传感器安装座108b以直接接触到局部的风。
在图1B所示的实施例中，移动结构101包括方向/纵向轴线102、方向/横向轴线103和方向/竖直轴线104，大致在桅杆/传感器安装座108b处相交(例如，靠近移动结构101的重心)。在一个实施例中，各个轴线可以定义移动结构101和/或传感器群集160的坐标系。
适用于测量方向(例如，速度、加速度、航向或包括方向性分量的其它状态)的每个传感器可以用可以用于将传感器的坐标系对准系统100B和/或移动结构101的任何元件的坐标系的安装座、致动器和/或伺服系统来实施。系统100B的每个元件可以位于与图1B中描绘的那些不同的位置。系统100B的每个设备可以包括例如一个或多个电池或其他电力存储设备，并且可以包括一个或多个太阳能电池或其他发电设备。在一些实施例中，一个或多个所述设备可以由用于移动结构101的电源供电。如本文所述，系统100B的每个元件可以用天线、逻辑设备和/或使得该元件能够提供、接收和处理传感器信号并且与系统100B的一个或多个设备进行接口连接或通信的其他模拟和/或数字部件实施。进一步，该元件的逻辑设备可以适用于执行本文所述的任何方法。
图2示出了根据本公开的实施例的检测和测距系统200的图。在图2所示的实施例中，系统200包括可通过单个I/O电缆214耦接到用户接口(例如，图1A的用户接口120)和/或电源的遥感组件210。如所示出的，遥感组件210可以包括全部布置在公共外壳211内的一个或多个系统控制器220、传感元件(例如，换能器/天线264)、OPS 190和/或有助于系统200的操作的其他设备。在其他实施例中，图2中示出的一个或多个设备可以与远程用户接口集成并且通过类似于I/O电缆214的一个或多个数据和/或电力电缆与遥感组件210内的其余设备通信。
控制器220可以实施为任何适当的逻辑设备(例如，处理设备、微控制器、处理器，数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、存储器存储设备、存储器读取器或其它设备或这些设备的组合)，其可适用于执行、存储和/或接收适当的指令，例如实施用于控制遥感组件210和/或系统200的各种操作的控制回路的软件指令，例如，类似于控制器130。在典型实施例中，控制器220可以负责监督遥感组件210的总体操作，从遥感器返回信号和传感器返回取向和/或位置数据产生遥感器图像数据，将传感器数据与遥感器数据/影像相关联，通过I/O电缆214与其他设备传送操作参数和/或传感器信息，和/或系统200的其他操作。在一些实施例中，例如，控制器220可以用能够产生用于操作发射器、接收器、收发器、信号调节器和/或遥感组件210的其他设备的数字发射和/或采样控制信号的相对高分辨率定时电路实施，并且系统200的其他时间关键操作，例如应用于来自传感元件264的遥感器返回信号的每采样数字波束成形和/或干涉测量操作，如本文所述。在一些实施例中，控制器220可以以分布式方式实施为多个单独的控制器。
收发器234可以用一个或多个数模转换器(DAC)、信号整形电路、滤波器、相位调节器、信号调节元件、放大器、定时电路、逻辑设备和/或其他数字和/或模拟电子器件来实施，配置为接收来自控制器220的数字控制信号并产生发射信号以激发遥感组件210的发射信道/元件(例如，在一些实施例中可以用于发射遥感器波束和接收传感器返回的传感元件264)以产生一个或多个遥感器波束。在一些实施例中，可以由控制器220(例如，通过使用各种控制信号)控制收发器234的各种发射操作(例如，放大、频率相关滤波、发射信号频率、持续时间、形状和/或定时/触发和/或其他信号属性)，如本文所述。
收发器243还可以用一个或多个模数转换器(ADC)、滤波器、相位调节器、信号调节元件、放大器、定时电路、逻辑设备和/或其它数字和/或模拟电子器件来实施，配置为接收来自遥感组件21 0的对应接收信道/传感元件(例如，传感元件264)的模拟遥感器返回信号，将模拟遥感器返回信号转换为数字遥感器返回信号，并且将该数字传感器返回信号提供给控制器220。在一些实施例中，收发器234的各种接收操作(例如，放大、频率相关滤波、基带、采样分辨率、持续时间和/或定时/触发，和/或其他ADC/信号属性)可以由控制器220控制。
例如，控制器220可经配置以使用收发器234将遥感器返回信号转换成包含一个或多个数字基带发射的数字遥感器返回信号，该数字遥感器返回信号随后提供到控制器220。在一些实施例中，收发器234被配置为在向控制器220提供数字遥感器返回信号之前，以低通或以其他方式滤波、放大、抽取和/或以其他方式处理模拟和/或数字遥感器返回信号(例如，使用模拟和/或数字信号处理)。在其他实施例中，收发器234可以配置为向控制器220提供基本上未处理的(例如，原始的)模拟和/或数字遥感器返回信号以用于进一步的信号处理，如本文所述。在进一步的实施例中，收发器234可以实施为一个或多个单独的发射器和接收器。
根据本公开的一些实施例，图2中示出的控制器220和收发器234也可以理解为属于系统200的收发器/控制器240。就此而言，收发器/控制器240的各种子部件可以通过利用控制器220和收发器234的组合来实施。例如，根据一个或多个实施例，控制器220和收发器234的组合可以用于实施脉冲发生器242、相关器244、选择性衰减器246和/或输出248(例如，输出电路)。如上所述，电路242至248可以实施为硬连线部件和/或逻辑设备(例如，处理设备、微控制器、处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、存储器存储设备、存储器读取器或其他设备或设备的组合)的任何合适的组合，配置为执行、存储和/或接收适当的指令，例如软件指令。例如，全部或部分相关器244和/或选择性衰减器246可以由FPGA和/或由DSP或配置为执行、存储和/或接收适当指令的其他处理设备来实施。
如本文进一步讨论的，电路242至248可以配置为执行各种操作以通过选择性地衰减表示来自目标的返回或回波的信号的某些部分以抑制不希望的信号部分从而改进目标的反卷积。例如，脉冲发生器242可以配置为产生脉冲(例如，具有作为载波的射频或音频波的脉冲)以被发射到目标。在一些实施例中，脉冲发生器242还可以配置为整形脉冲包络和/或调制脉冲内的载波的频率或相位以执行脉冲压缩。
相关器244可以配置为基于返回信号(例如，表示从目标反射的发射脉冲的一部分)和发射脉冲来确定相关返回信号。在一些实施例中，相关器244可以配置为至少通过确定(例如，估计、计算)返回信号和脉冲之间的互相关(例如，脉冲的副本)来确定相关返回信号。选择性衰减器246可以配置为将相关返回信号与相对于返回信号确定的一个或多个边界进行比较并且衰减落在所述一个或多个边界之外的相关返回信号的的那些部分。在一些实施例中，所述一个或多个边界可以包括基于接收到的返回信号的缩放版本的下边界。在一些实施例中，所述一个或多个边界还可以包括基于接收到的返回信号的另一缩放版本的上边界。在其他实施例中，选择性衰减器246可以配置为基于传感器返回信号的梯度和/或用于相应的测距系统的梯度极限来衰减传感器返回信号。
比较器250可以配置为比较值(例如，数值、电压、其他电特性和/或其它值)并且基于比较提供输出。例如，比较器250可以配置为将两个返回信号幅度之间的梯度与测距系统的梯度极限进行比较，并输出配置为标示比较结果的数字信号、布尔值和/或其它信号。例如，缓冲器252可以是配置为存储各种值(例如返回信号幅度和/或中间计算值)的一个或多个触发器和/或其他结构和/或存储器位置，并且在一些实施例中可以配置为形成一个或多个循环缓冲器。例如，减法器254可以配置为确定输入值之间的差异，并且将该差异提供为输出。输出248可以配置为提供选择性衰减的相关信号作为用于进一步处理(例如，视频信号处理)和/或在显示器上呈现遥感影像(例如，雷达或声纳图像)的输出信号。
在图2所示的实施例中，传感元件264实施为单个发射/接收信道，其可以配置为通过外壳211的发射表面212发射遥感器波束并且接收遥感器返回信号。在一些实施例中，远程发送组件210可以用多个发射和/或接收信道(例如，多信道声纳换能器，或多信道/合成孔径雷达天线)来实施。一般而言，远程发送组件210可以用配置为产生一个或多个遥感器波束的一个、两个或多个独立元件以及配置为接收遥感器返回信号的一个、两个或多个分离传感元件来实施。遥感器波束和遥感器返回信号的有效体积形状可以由其对应的换能器元件的形状和布置来确定。在多信道实施例中，可以布置各种信道以促进多信道处理，例如波束成形、干涉测量、波束间插值和/或用于产生遥感器数据和/或影像的其他类型的多信道处理。
在图2中，传感元件264通过引线218并通过屏蔽件219耦接到其电子器件。在各种实施例中，引线218和/或屏蔽件219可以实施为一个或多个屏蔽发射线，其配置为在各种元件之间传送模拟和/或数字信号同时屏蔽收发器234和传感元件264免受来自彼此、遥感组件210(例如，OPS190)的其他元件和/或外部源的电磁干扰。在一些实施例中，引线218和屏蔽件219可以集成在一起以形成传输系统。例如，屏蔽件219可以配置为为由引线218传送的信号提供接地平面/返回信号。
如所示出的，遥感组件210可以用OPS 190来实施，OPS 190可以配置为测量遥感组件210和/或传感元件264的相对和/或绝对取向和/或位置并且向控制器220提供这样的测量值。在一些实施例中，控制器220可以配置为根据这样的测量值和/或耦接的移动结构的取向和/或位置的测量来组合遥感器数据和/或影像，以产生组合的遥感器数据和/或影像，例如多个共同配准的遥感器图像，例如和/或三维遥感器影像。在其他实施例中，控制器220可以配置为使用遥感组件210和/或耦接的移动结构的取向和/或位置测量值来控制一个或多个致动器(例如，其他设备280)以调整遥感组件210和/或传感元件264的位置和/或取向，并且例如向特定的位置和/或取向发出遥感器射束，或者以其他方式控制遥感组件210和/或传感元件264的运动。
其他设备280可以包括例如用于提供附加环境信息和/或配置参数的其他和/或附加传感器、传感器阵列、致动器、逻辑设备、通信模块/节点、配电部件和/或用户接口设备，并且/或来调整遥感组件210和/或传感元件264的位置和/或取向。在一些实施例中，其他设备280可以包括可见光谱相机、红外相机和/或提供测量值和/或可以显示给用户和/或被遥测组件210的其他设备(例如，控制器220)使用的其他传感器信号的其它环境传感器，以提供遥测组件210的操作控制。在一些实施例中，其他设备280可以包括一个或多个致动器，其适用于响应于一个或多个控制信号(例如，由控制器220提供)来调整遥感组件210和/或传感元件264相对于耦接的移动结构的取向(例如，滚转、俯仰和/或偏航)和/或位置(纵向、横向和/或垂直)。在其他实施例中，其他设备280可以包括一个或多个支架，例如横挡支架或桅杆支架，其适用于将外壳211耦接到移动结构。
其他设备280还可以包括传感元件角度传感器，其例如可以物理耦接到遥感组件210的外壳211并且配置为测量传感元件264的取向和外壳211和/或移动结构101的纵向轴线之间的角度。其他设备280还可以包括用于传感元件264和/或遥感组件210的旋转平台和/或对应的平台致动器。在一些实施例中，其他设备280例如可以包括与OPS 190集成的一个或多个亥姆霍兹线圈，并配置为选择性地抵消地球磁场的一个或多个分量，如本文所述。
在各种实施例中，遥测组件210可以在具有单个接口(例如，I/O电缆214)的单个外壳211中实施，以简化安装和使用。例如，I/O电缆214可以实施为支持遥感组件210和耦接的移动结构的元件之间的通信和电力的传输的以太网供电(POE)电缆。这种通信和/或电力可以通过引线216传送到电源215和/或控制器220。电源215可以实施为一个或多个功率调节器、线路滤波器、开关电源、DC到DC转换器、电压调节器、电力存储装置(例如，电池)和/或配置为通过引线216接收电力和/或将电力分配给遥感组件210的各种其他元件的其他电元设备。
现在转到图3至图7F，现在将根据本公开的实施例描述用于改进检测和测距系统(例如，雷达、声纳、激光雷达或其他主动检测和测距系统)中的目标的反卷积的技术。根据本公开的一个或多个实施例的改进目标反卷积的技术可以选择性地衰减(例如，选择性地减少或移除)表示来自目标的返回或回波的信号的某些部分，以抑制(例如，减少或移除)信号的不希望的部分。例如，相关返回信号的旁瓣(例如，由于发射脉冲的脉冲压缩而出现的旁瓣)、干扰、失真(例如，由于削波)、伪像或返回信号的其他弱相关部分中可以有益地通过根据本公开的一个或多个实施例的选择性衰减来抑制。
图3示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于改进检测和测距系统(例如，检测和测距系统100或200)中的目标的反卷积的过程的流程图300。在一些实施例中，图3的操作可以实施为由与图1A至图2中描绘的对应电子设备、传感器和/或结构相关联的一个或多个逻辑设备执行的软件指令。更一般地，图3的操作可以用软件指令和/或电子硬件(例如，电感器、电容器、放大器、致动器或其他模拟和/或数字部件)的任意组合来实施。
还应该理解，可以以与图3所示的实施例不同的顺序或布置来执行处理300的任何步骤、子步骤、子处理或框。例如，在其他实施例中，一个或多个框可以从所述处理中省略或者在所述处理中也可以添加一个或多个框。进一步，在移动到相应处理的后续部分之前，框输入、框输出、各种传感器信号、传感器信息、校准参数和/或其它操作参数可以存储到一个或多个存储器。虽然处理300参照图1A－图2中描述的系统进行描述，处理300可以由与这些系统不同的其他系统执行，并且所述其他系统包括电子设备、传感器、组件、移动结构和/或移动结构属性的不同选择。
在框310处，向目标发射脉冲。例如，脉冲可以由检测和测距系统200中的收发器/控制器240的脉冲发生器242产生，并且由换能器/天线264朝向目标发射。在各种实施例中，所述脉冲可以具有载波(例如，雷达系统160的射频波或声纳系统110的音频波)。在这样的实施例中，可以根据脉冲包络来对载波进行脉冲调制，使得载波的幅度受到脉冲包络的约束。参考图4A－图4B示出了根据本公开的各种实施例的具有可以产生和发射的载波的脉冲。例如，图4A示出了根据本公开的实施例的具有可以在框310处发射的载波410的脉冲400A。这里，根据脉冲包络420A对载波410进行脉冲调制。脉冲包络420A具有矩形形状，并且因此也可以被称为矩形包络420A。根据本发明的各种实施例，图4B至图4D示出了具有根据三角形包络420B、梯形包络420C和高斯包络420D(例如，遵循高斯分布或正态分布)分别进行脉冲调制的载波410的脉冲400B、400C和400D。
根据一些实施例，在框310处的脉冲发射还可以涉及执行脉冲压缩过程(例如，在脉冲发生器242处)，其有利地允许发射更长的脉冲，以提供与使用更短的脉冲相比提高的距离分辨率但没有较短脉冲的高峰值功率要求。例如，脉冲压缩过程可以包括调制载波(例如，载波410)的频率或相位以发射脉冲并且使返回信号(例如，表示从目标反射的发射脉冲的至少一部分的回波)与发射脉冲的副本相关，使得所得到的相关返回信号实际上可以表示返回信号的压缩版本。
图5A和图5B示出了根据本公开的实施例的可以在框310处利用执行的脉冲压缩过程产生并发射的示例脉冲500A和500B。在图5A的非限制性示例脉冲500A中，载波510A被频率调制以随着时间函数线性地增加频率。这种频率调制也可以称为线性频率调制(LFM)。然而，在根据本公开的实施例的其他示例中，载波的频率可以减小和/或增加，和/或频率的调制可以相对于时间是非线性的。在图5B的非限制性示例脉冲500B中，载波510B被相位调制以根据二进制编码(例如巴克编码或其他适当的编码)来切换相位。这种相位调制也可以被称为相位编码调制或脉冲编码调制。
如上面所讨论的，通过将表示从目标反射的发射脉冲的至少一部分的返回信号(例如，回波)与频率调制或相位调制的发射脉冲的副本(例如脉冲500A或500B)相关而获得的相关返回信号，可以提供目标测距的改进的距离分辨率。图6A和图6B示出了根据本公开的实施例的这种压缩效果。图6A示出了在与发射的频率调制或相位调制脉冲的副本相关之前从单个目标(例如，建模为单位脉冲目标)反射的返回信号610A的示例。示例返回信号610A至少跨越与发射脉冲相关联的宽度(例如，距离)，并且因此可能无法解析跨度内的任何其他目标或目标的特征。图6B示出了通过将返回信号610A与发射的频率调制或相位调制脉冲的副本相关而获得的相关返回信号610B的示例。示例相关返回信号610B示出了更窄和更突出的主峰620B，其可以用作到目标的距离的指示。通过使用更窄和更突出的主峰620B来检测到目标的距离，可以有效地增加距离分辨率。
示例相关返回信号610B还具有旁瓣630B，其比主瓣620B更不突出(例如，幅度减小)，但是至少跨越与发射脉冲相关联的宽度。尽管在发射和/或接收侧的常规幅度和/或频率整形技术可以用于在一定程度上减小旁瓣630B的幅度，但是常规的幅度和/或频率整形技术可能无法将旁瓣630B减小到期望的程度，特别是当存在失真(例如，由于超出检测和测距系统的动态范围的信号的削波)和/或干扰(例如，来自类似的检测和测距系统)时，使得目标可能显得具有更大的距离范围(例如，因为旁瓣630B也被解释/显示为代表目标)。如本文进一步讨论的，根据本公开的各种实施例的用于改进目标的反卷积的处理300可以有利地提供对这种旁瓣的改进的抑制，即使当可能存在失真和干扰时。
回到图3，在框320处，可以接收从目标反射的至少一部分发射脉冲。例如，可以由检测和测距系统200的换能器/天线264接收(例如，拾取)从目标反射的至少一部分发射脉冲，并传递至收发器/控制器240以作为返回信号来接收。
在框330处，基于返回信号和所述脉冲确定相关返回信号。如上所述，返回信号可以与发射脉冲的副本(例如，与发射脉冲基本相同的信号)相关，以例如由收发器/控制器240的相关器244确定相关返回信号。在一些实施例中，可以至少通过确定(例如，估计、计算)返回信号和脉冲(例如，脉冲的副本)之间的互相关来确定相关返回信号。例如，可以通过如下确定返回信号与脉冲之间的互相关来确定相关返回信号y[n]，其中*代表卷积算子，u表示接收到的返回信号，f表示发射脉冲的复共轭，并且n表示采样点：
y[n]＝(f*u)[n] (等式1)。
在框340处，将相关返回信号与相对于返回信号确定的一个或多个边界进行比较，并且在框350处，相关返回信号的落在一个或多个边界之外的那些部分被衰减。例如，框340和350的比较和选择性衰减可以由收发器/控制器240的选择性衰减器246执行。
在一些实施例中，所述一个或多个边界可以包括基于接收到的返回信号的缩放版本的下边界。在一些实施例中，所述一个或多个边界还可以包括基于接收到的返回信号的另一缩放版本的上边界。例如，可以将下边界确定为通过第一权重缩放的接收到的返回信号的大小，并且可以将上边界确定为通过第二权重缩放的返回信号的大小。具体而言，例如，下边界可以表示为w1|u[n-m]|，并且上边界可以表示为w2|u[n-m]|，其中w1和w2分别表示第一权重和第二权重，并且其中，m表示如果需要，在相关之后对齐采样点的位错(例如，考虑获得互相关的计算引起的延迟)。
在一个或多个实施例中，第一和第二权重(例如，w1和w2)可以基于发射脉冲(例如，发射脉冲的副本)中的能量来确定。在根据这样的实施例的一个具体示例中，w1和w2可以如下确定：
Figure BDA0001729674040000321
w2＝k2γ (等式3)。
其中fmax＝max(|f|)，并且其中M表示脉冲f中的样本的数量，并且其中γ可以如下确定：
Figure BDA0001729674040000331
因此，在该示例中，第一和第二权重w1和w2基于γ来确定，γ表示脉冲f中的归一化能量，具有说明脉冲包络的形状的因子1/fmax。根据本公开的实施例，脉冲中的能量(例如，如在一个示例中由γ所表示的)指示完全相关的信号(例如，相关返回信号中的完全相关的样本)的幅度，其可以有益地用作参考点，基于该参考点应当为选择性衰减设置下边界和上边界。就这一点而言，在一些实施例中，权重w1和w2基于脉冲中的能量(例如，如由γ所表示的)来确定，通过权重w1和w2返回信号被缩放以分别设置为下边界和上边界。
系数k1和k2允许进一步调整用于缩放返回信号以确定下边界和上边界的权重w1和w2。一般而言，对于各种实施例，确定系数k1和k2使得0≤k1≤1和k2>1。例如，通过设定k2为大于1，幅度大于用于单位脉冲目标的完全相关样本的幅度的相关信号的部分将落在上边界之外并且被衰减。在一些实施例中，为了说明在相关返回信号中相应地产生较大幅度的具有较大尺寸/范围的目标，k2可以设置为远大于1(即，k2＞＞1)。在这点上，根据一些实施例，可以基于特定检测和测距系统的最大目标尺寸和距离范围来确定k2。例如，可以基于距离样本的数量和针对最大目标尺寸的样本的数量来确定k2。在一些实施例中，可以通过预处理和/或通过反馈过程自动确定系数k1和/或k2。例如，可以对返回信号进行预处理以识别和确定环境中最大目标的范围(例如，与最大目标相对应的采样的数量)，并且基于环境中的最大目标动态且周期性地设置k2。在其他实施例中，系数k1和/或k2可以根据经验确定(例如，为不同环境提供各种预设置)和/或基于用户输入设置。在一个特定实施例中，k1可以设置为具有大约0.5的最大值。
然后可以将相关返回信号与如上所述确定的一个或多个边界进行比较，并且可以衰减相关返回信号的落在一个或多个边界之外的那些部分。使用以上给出的w1|u[n-m]|and w2|u[n-m]|的示例下边界和上边界，相关返回信号的这种选择性衰减也可以表示如下：
Figure BDA0001729674040000341
其中z[n]表示选择性衰减的相关返回信号，并且其中0≤w3<1并表示这样的权重，通过该权重衰减相关返回信号y[n]的在下边界和上边界之外的那些部分。换句话说，如果相关返回信号y[n]的采样点具有大于或等于下边界且小于上边界的幅度，则该采样点未衰减地通过以作为z[n]中的点被输出，而如果所述采样点的幅度在那些范围之外，则衰减版本w3y[n]作为z[n]中的点被输出。
在一个实施例中，可以将权重w3设置为零以完全移除出界部分相关返回信号，这在移除相关返回信号的受干扰信号影响的那些部分时非常有效。在一些实施例中，可将权重w3设置为小值但不为零，例如0.01或0.001和0.1之间的值(包括端值)，使得相关信号的那些弱相关部分(例如，低于下边界和/或对应于旁瓣的那些)可以被有效地抑制(例如，衰减到用于显示或指示为属于目标的阈值以下)，而同时允许信号的一些失真部分(例如代表目标距离但是由于目标的尺寸和/或由于信号失真而具有高于上边界的大幅值的那些)被衰减到用于显示或检测为目标距离的可用水平。在一些实施例中，可以基于用户输入来设置权重w3和/或例如通过反馈过程自动调整或确定该权重。
通过这种选择性衰减，基于相关返回信号与一个或多个边界的比较(该一个或多个边界是针对各个实施例如上所述的返回信号的缩放版本)，可以有效地抑制(例如，减少或移除)相关返回信号的弱相关的那些部分。例如，由于脉冲压缩而出现在相关返回信号中的距离旁瓣(例如，旁瓣630B)可以是弱相关，并且通过与从基于发射脉冲的能量缩放的接收到的返回信号导出的下边界的比较识别为弱相关。受干扰、噪声或其他伪像影响的相关返回信号的其他部分也可以弱相关，并且因此被识别并衰减以提供改进的信噪比。就这一点而言，下边界的权重w1可以例如被理解为相关返回信号的采样点必须控制为有多相关才能未衰减地通过。另外，通过将相关返回信号与从基于发射脉冲的能量而缩放的接收返回信号导出的上边界进行比较，相关返回信号的可能不充分相关但仍然具有大幅度(例如，大小)的那些部分(例如由于具有大尺寸的目标或由于削波或其他失真)也可以被识别并且被有效地衰减。
因此，根据各种实施例，可以选择性地衰减相关返回信号以有效地抑制不希望的旁瓣和/或相关返回信号中的噪声、干扰、失真的其他影响，由此在检测和测距系统中提供改进的目标的反卷积。与在去除或减少所有旁瓣或其他不希望的伪像方面不总是有效的常规幅度和/或频率整形(例如，开窗或加权)技术相比，根据各种实施例在本文公开的技术通过基于相关返回信号与从接收的返回信号和脉冲的能量导出的一个或多个边界的比较来选择性地衰减因而有利地实现相关返回信号的弱相关部分的有效抑制，如上面针对各种实施例所讨论的。在框360处，可以包括相关返回信号(该相关返回信号具有由如上所述的通过选择性衰减而被抑制的弱相关和/或失真部分)的选择性衰减的相关信号(例如，等式5的z[n])可以作为输出信号(例如，通过输出)提供。例如，输出信号可以被提供用于进一步处理(例如，视频信号处理)和/或在显示器上呈现检测和测距图像(例如，雷达或声纳图像)。
根据本公开的各种实施例的用选择性衰减相关返回信号进行的这种改进的目标的反卷积的示例性结果由在图7A至图7F中示出的示例性曲线图中示出。在图7A至图7F的示例曲线图中，返回信号710A－710F(例如，对应于上面结合等式1至5讨论的返回信号u)，相关返回信号720A－720F的采样点(例如，对应于上面结合等式1到5讨论的相关返回信号y)，和选择性衰减的相关返回信号730A－730F(例如，对应于以上结合等式5讨论的选择性衰减的相关返回信号z)被绘制，其中x轴表示范围或距离，并且y轴表示信号的幅度或大小(例如，功率)。目标740A－740F和745C－745D的建模尺寸和距离也在图7A至图7F中示出，以帮助理解相对于建模目标的各种曲线图信号。
具体而言，图7A示出了向目标740A发射脉冲并接收从目标740A反射的返回信号的示例结果，该例子建模为距离＝80处的单位脉冲。脉冲是频率调制的(例如，用于脉冲压缩)并且具有三角形包络。相关返回信号720A基于返回信号710A和所述脉冲来确定，并且基于与下边界和上边界的比较而选择性地衰减(所述下边界和上边界是返回信号710A的缩放版本)，以输出选择性衰减的相关返回信号730A，如上述对各种实施例的讨论。特别是对于图7A的示例，衰减权重w3设置为零，并且用于确定下边界和上边界的系数k1和k2设置为k1＝0.5和k2＝10。如所示出的，相关返回信号720A的落在限定下边界和上边界的返回信号710A的缩放版本之外的部分750A被完全去除，因此产生选择性衰减的相关返回信号730A，其对于改进的分辨率和检测而言更窄，并且没有在部分750A中的旁瓣。尽管通过使用三角脉冲包络来减少旁瓣，旁瓣仍存在于相关返回信号720A中，但是通过本公开的实施例获得的选择性衰减的相关返回信号730A有利地移除了甚至是那些持久性旁瓣。
图7B示出类似于图7A的情况的示例结果，但是目标740B被建模为具有10个采样的较大范围或尺寸。如所示出的，即使相关返回信号720B现在具有幅度较大的旁瓣，基于与也显示出较大幅度的返回信号710B的缩放版本的比较的选择性衰减有效抑制了那些旁瓣。结果，类似于图7A的相关返回信号730A，选择性衰减的相关返回信号730B显示出没有旁瓣的用于改进的分辨率和检测的窄峰。
图7C和7D示出了具有两个目标的情况的示例结果。图7C中的两个目标740C和745C被建模为不同幅度的两个脉冲。类似地，图7D中的两个目标740D和745D被建模为不同幅度的两个脉冲。在图7C的示例中，发送具有三角形包络的脉冲，而在图7D的示例中，发送具有梯形包络的脉冲。权重w3和系数k1和k2设置为与图7A和图7B的示例情况相似的值。如所示出的，尽管采用脉冲压缩技术来改进测距分辨率，但是在图7C和图7D中都很难分开相关返回信号720C和720D中的两个目标。实际上，如果使用相关返回信号720C和720D来产生检测和测距信息(例如，呈现雷达或声纳图像)，则其可以显示一个大目标而不是在两个不同的距离的两个不同的目标。相反，选择性衰减的相关返回信号730C和730D显示出大大改进的目标分离，其允许识别两个分离的目标，同时还显著地减少旁瓣。
图7E和图7F示出了在相关返回信号中很小的旁瓣或没有旁瓣出现的情况下的示例结果。在图7E的示例中，发射频率调制脉冲(例如，用于脉冲压缩)，但是使用高斯脉冲包络使得相关返回信号720E具有很小旁瓣或没有旁瓣。如所示出的，通过以上参考图3到图6B讨论的技术获得的选择性衰减的相关返回信号730E与相关返回信号720E相比，具有更窄的形状(例如，更窄的距离范围)，由此仍然提供改进的分辨率和检测的益处，而不会不期望地使相关返回信号720E劣化或失真。在图7F的示例中，在没有频率调制(例如，没有脉冲压缩)的情况下发射方形脉冲(对于等式2具有样本大小M＝5)，并且因此不在相关返回信号720F中引入任何旁瓣。
类似于图7E的示例，图7F中的选择性衰减的相关返回信号730F具有比相关返回信号720F更窄的距离范围，以改进分辨率和检测，而没有不期望地降级或失真。在图7F的示例情况中，用于确定下边界的系数k1被设置为0.75，而不是在图7A至图7E的其他示例情况下所用的0.5，以便提高用于去掉相关返回信号720F的弱相关部分的下边界，同时仍然选择相关返回信号720F的有意义的部分。例如，可增加系数k1以将下边界提高至超过一个点，该点之外的选择性衰减的相关返回信号730F被不期望降级或失真的，因为相关返回信号720F的有意义部分被去掉。
因此，本公开的实施例可以因此通过选择性信号衰减来提供对目标的改进的反卷积，以有效地抑制旁瓣或干扰、失真或出现在接收到的返回信号中的其他伪像的影响。这样的实施例可以用于提供具有改进的距离分辨率和目标分离的声纳、雷达和/或其他检测和测距系统，以辅助移动结构的导航、水体的勘测和/或协助操作耦接到移动结构的其他系统、设备和/或传感器的操作。
在测距系统(例如，雷达和声纳)中发生来自在相同或接近频率下工作的其他测距系统的干扰。在一些测距系统中，对于每个距离测量，可以发出大量的脉冲，并且可以针对每个距离测量独立地采用滑动平均来处理相应的返回信号，以改进距离测量的信噪比。即使在距离测量中的大量小幅度值会受到一个干扰事件的显着扰乱，该干扰事件的大小可能比实际目标响应的任何部分在幅度上大几个数量级。因此产生的干扰可能扩散到任何依赖于滑动平均的一部分的信号处理中并使之降级。
通常，在将新返回信号输入到滑动平均之前，将预平均滤波器应用于返回信号以去掉干扰。这些滤波器通常是非线性滤波器，例如三个相邻返回信号的中值滤波器。但是，如果存在多个其他雷达，那么在三个相邻返回信号内出现两个干扰事件的概率太高，并且干扰经常躲过预平均滤波器并进入滑动平均滤波器并出现在所得到的测距系统影像中(例如，雷达或声纳影像)。通过将三个相邻返回信号的最小值而不是中值传递给滑动平均滤波器，可以显着降低干扰躲过预平均滤波器并到达滑动平均滤波器的概率。
在各种实施例中，通过将接收到的返回信号与由测距系统照亮的目标所预期的返回信号进行比较，可以从测距系统返回信号可靠地去掉干扰事件，如通过其特定测距传感器的特性确定的，并且抑制或衰减不能在时间或空间上匹配那些特性的返回信号或部分返回信号。
这种方法可以分成两个步骤过程：(1)将返回信号的幅度梯度与测距传感器的预期梯度(例如，其中例如该梯度是作为时间或角度的函数的接收信号的幅度变化率)进行比较；(2)去掉或衰减具有太大梯度(与预期梯度相比)的返回信号以与由测距传感器照射的目标一致。
已经发现，躲过预平均滤波器并进入滑动平均滤波器的干扰的可能性太高，特别是随着对测距传感器系统的形成干扰的数量的增加。在一个实施例中，可以构造预平均滤波器，其中3到10个相邻返回信号的最小值可以用作预平均滤波器。在另一个实施例中，可以确定返回信号幅度(例如，作为行进距离(对于声纳)或天线角度(对于雷达)的函数)的变化率(例如，梯度)，并将其与对相应的测距传感器估计的最大梯度进行比较。超过最大梯度的返回信号在将它们传递给滑动平均滤波器之前被去掉。这两种技术都可以单独使用或一起使用，以在测距系统中去掉干扰。
雷达和声纳共同使用'快时间'和'慢时间'限定符，其对于雷达分别是距离方向和方位方向，并且对于声纳分别是距离和船只运动。为了简化该说明，应采用方位来描述雷达、声纳和/或其他测距系统的“慢时间”坐标。
提供了干扰滤波器以去掉在方位方向接收到的非目标信号。干扰滤波器可以通过方位梯度极限(例如，gmax)、幅度阈值AT和对应于用于产生滤波器输出的相邻返回信号的数量的窗口尺寸N来控制。
对于雷达，可以使用天线的方位响应特性来指定梯度极限。幅度阈值和窗口尺寸可以用于处理实际返回信号(例如，来自目标的回波)被削波并且确定的返回信号梯度不代表真实梯度的情况。干扰滤波器在干扰低于幅度阈值的情况下消除任何程度的干扰，并且如果干扰超过幅度阈值，则干扰滤波器能够消除小于窗口尺寸的干扰。在实际中可以使用天线响应的测量值或通过估计来确定梯度极限。在一些实施例中，天线响应可以近似为sinc函数和基于sinc函数获得的最大梯度的估计。干扰滤波器可以直接在FPGA和/或其他逻辑设备和/或模拟电路(例如，控制器220、收发器234和/或收发器/控制器240)中实施，并且在一些实施例中可以使用仅由循环缓冲器、减法器和比较器构成的元件实施。
图8示出了根据本公开的实施例的用于测距系统的干涉滤波器。具体而言，函数800示出了如本文所述的梯度滤波器的实施例。在图8所示的实施例中，令x是输入样本，并且y是输出样本。最小目标尺寸N(例如，大于该尺寸的所有信号被认为是目标)，最大输入幅度Amax(例如，输入信号为其被削波)和梯度极限gmax都被预先选择以控制梯度滤波器800的一般操作。初始化长度为N的两个循环缓冲器B和C，其中变量j、k和l是循环缓冲器的索引，并且其中索引可以初始化为j＝N、k＝2且l＝1。幅度阈值AT可以根据AT＝Amax/2设置。
如图8所示，梯度滤波器800可以实施为用于确定样本输出y、给定输入x的的软件函数。在各种实施例中，可以在实践中使用测距传感器(例如，天线)响应的测量值和/或通过估计来确定梯度极限gmax。例如，所述响应可以近似为sinc函数，并且通过检查该sinc函数获得最大梯度的估计。应该注意，当gmax接近无穷大时，y就是被延迟了N个样本的x。
更具体地，梯度滤波器800的第5－11行配置为从梯度滤波器800的操作排除与目标相关联的返回信号。例如，实际目标响应可以被定义为具有大于或等于N的宽度(根据相邻返回信号)，并且第5－11行操作以使得这样的返回信号的幅度通过第13－19行保持不变(例如，通过将它们传递通过延迟缓冲器作为梯度滤波器800的输出)。第13－16行计算局部梯度并将其与梯度极限gmax进行比较，并且如果局部梯度大于梯度极限，第17行对返回信号进行滤波(例如，通过在一系列返回信号或返回信号窗口中例如将其幅度设置为最小值，或者归零)。如果局部梯度等于或小于梯度极限，则幅度保持不变。第22－24行配置为在梯度滤波器800的每次迭代之后更新循环缓冲器索引。
图9A－B示出了根据本公开的实施例的用于测距系统的干涉滤波器。具体而言，函数900示出了如本文所述的类似于梯度滤波器800的梯度滤波器的实施例。更具体地，梯度滤波器900的部分910初始化用于梯度滤波器900的操作的循环缓冲器，部分912操作以使梯度滤波器900保持实际目标响应的幅度不变(例如，除延迟之外)，部分914计算局部梯度并且将其与梯度极限进行比较，并且如果局部梯度大于梯度极限，第916行滤波返回信号(例如，通过在一系列返回信号或返回信号窗口中将其设置为最小值)。部分918配置为在梯度滤波器900的每次迭代之后更新循环缓冲器索引。
图10A－C示出了根据本公开的各种实施例的未滤波和滤波的测距系统返回信号的示例曲线图。具体而言，图10A－C示出了对测距传感器返回信号应用梯度滤波器800和/或900的结果。例如，图10A包括图1000，其示出了在由梯度滤波器800和/或900滤波之前的包括目标响应1020的在一系列方位范围内(例如，从0至4500测量，对应于时间)的返回信号，并且图表1001示出在由梯度滤波器800和/或900滤波之后的相同系列的返回信号。如图10A中可见，通过应用梯度滤波器800和/或900从系列的返回信号中去除了干扰峰1010，并且目标响应1020基本保持不变。
图10B包括示出了在由梯度滤波器800和/或900滤波之前的一系列返回信号的图表1002，并示出了在由梯度滤波器800和/或900滤波之后的相同系列的返回信号的图表1003，其中目标响应1022被轻微削波。从图10A中可以看出，通过应用梯度滤波器800和/或900已经从该系列返回信号中去除了干扰峰1010，并且略微削波的目标响应1022基本保持不变。
图10C包括图表1004，其示出了在由梯度滤波器800和/或900滤波之前的一系列返回信号，以及图表1005示出了在由梯度滤波器800和/或900滤波之后的相同系列返回信号，其中目标响应1024被重度削波。从图10A中可以看出，通过应用梯度滤波器800和/或900已经从所述系列返回信号中去除了干扰峰1010，并且严重削波的目标响应1022基本保持不变。测试表明，对于与未削波和削波的目标响应重叠的干扰峰来说，结果是相似。
图11示出了根据本公开的实施例的在测距系统中对干扰滤波的各种操作的流程图。在一些实施例中，图11的操作可以实施为由与图1A和图2中描绘的相应电子设备、传感器和/或结构相关联的一个或多个逻辑设备执行的软件指令。更一般地，图11的操作可以用软件指令和/或电子硬件(例如，电感器、电容器、放大器、致动器或其他模拟和/或数字部件)的任意组合来实施。
还应该理解，可以按与图11所示的实施例不同的顺序或布置来执行处理1100的任何步骤、子步骤、子处理或框。例如，在其他实施例中，一个或多个框可以从所述处理中省略或添加到处理中。进一步，在移动到相应处理的后续部分之前，框输入、框输出、各种传感器信号、传感器信息、校准参数和/或其它操作参数可以存储到一个或多个存储器。尽管参照图1A－图2中描述的系统描述了处理1100，处理1100可以由不同于那些系统的其他系统执行，并且包括电子设备、传感器、组件、移动结构和/或移动结构属性的不同选择。
在框1102处，从测距系统接收传感器返回信号。例如，收发器/控制器240的收发器234可以配置为接收来自雷达系统160的天线264的雷达返回信号。在一些实施例中，传感器返回信号可以是在时间、距离和/或方位上的相邻传感器返回信号，根据情况。
在框1104处，确定在框1102中接收到的传感器返回信号的梯度。例如，收发器/控制器240的控制器220可经配置以确定由天线264提供的第一或第二传感器返回信号的梯度。在一些实施例中，可以通过从另一个传感器返回信号减去一个传感器返回信号并将梯度归因于幅度较大的传感器返回信号来确定梯度。在其他实施例中，可以基于多个不同的传感器返回信号来确定梯度，例如三个或更多传感器返回信号的平均值。
在框1106处，基于在框1104中确定的梯度和/或对应的测距系统的梯度极限来衰减在框1102中接收到的传感器返回信号。例如，如果确定的梯度大于梯度极限，则收发器/控制器240的选择性衰减器246可以配置为将一个传感器返回信号幅度设置为另一个和/或一个或另一个设置为零。在一些实施例中，如果确定的梯度等于或小于梯度极限，则选择性衰减器246可以配置为保持所述幅度不变。在这样的实施例中，选择性衰减器246可以配置为例如使传感器返回信号通过单位数据缓冲器，或者保持它们的值(尽管可能延迟)。在各种实施例中，选择性衰减器246和/或比较器250可以配置为确定传感器返回信号代表实际目标响应(例如，其中一定数量的连续相邻传感器返回信号都具有高于阈值的幅度)并且将保持它们的幅度不变。
因此，即使当主要目标响应被严重削波时，本公开的实施例也可以在测距传感器数据中提供改进的干扰抑制。这样的实施例可以用于在相对拥挤的环境中(例如，具有许多不同的测距系统彼此干扰)提供具有改进的距离分辨率、目标分离和总体可靠性的声纳、雷达和/或其他检测和测距系统以协助移动结构的导航、对水体的测量和/或协助耦接到移动结构的其他系统、设备和/或传感器的操作。
在适用的情况下，可以使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实施由本公开提供的各种实施例。同样在适用的情况下，在不背离本公开的精神的情况下，可将本文阐述的各种硬件部件和/或软件部件组合成包括软件、硬件和/或两者的复合部件。在适用的情况下，在不背离本公开的精神的情况下，本文阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以被分成包括软件、硬件或两者的各个子部件。另外，在适用的情况下，可以预期软件部件可以实施为硬件部件，反之亦然。
根据本公开的软件(例如非暂时性指令、程序代码和/或数据)可以存储在一个或多个非暂时性机器可读介质上。还可以预期，可以使用一个或多个联网的和/或其他方式的通用或专用计算机和/或计算机系统、网络来实施本文中所标识的软件。在适用的情况下，可以改变本文描述的各种步骤的顺序，组合成复合步骤和/或分成子步骤以提供本文描述的特征。
以上描述的实施例说明但不限制本发明。还应该理解，根据本发明的原理可以进行许多修改和变化。因此，本发明的范围仅由以下权利要求限定。

Claims (22)

1.一种用于检测和测距的方法，包括：
向目标发射具有载波的脉冲；
接收从所述目标反射的至少一部分所述脉冲作为返回信号；
基于所述返回信号和所述脉冲确定相关返回信号；
将所述相关返回信号与相对于所述返回信号确定的一个边界或多个边界进行比较；
衰减所述相关返回信号的落在所述一个边界或多个边界之外的部分；和
提供具有由所述衰减抑制的弱相关和／或失真部分的所述相关返回信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个边界包括：
基于由第一权重缩放的所述返回信号确定的下边界；或
基于由第二权重缩放的所述返回信号确定的上边界。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个边界包括：
基于由第一权重缩放的所述返回信号确定的下边界；和
基于由第二权重缩放的所述返回信号确定的上边界。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，基于所述脉冲中的能量来确定所述第一权重和所述第二权重。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二权重进一步基于待检测的目标的尺寸来确定。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述相关返回信号的所述部分的所述衰减包含通过大于或等于零且小于1的第三权重对所述相关返回信号的所述部分进行缩放。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括调整所述第三权重。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述相关返回信号的确定包括确定所述返回信号与所述脉冲之间的互相关。
9.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述脉冲的发射包括调制所述脉冲内的所述载波的频率或相位以执行脉冲压缩；和
所述衰减包括抑制由于所述脉冲压缩引起的所述相关返回信号中的旁瓣。
10.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述脉冲是具有射频（RF）波作为所述载波的雷达脉冲或具有音频（AF）波作为载波的声纳脉冲；和
所述脉冲的发射包括将所述脉冲的包络整形为矩形、三角形、梯形或高斯包络。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述返回信号包括从测距系统接收的第一传感器返回，所述方法进一步包括：
从所述测距系统接收第二传感器返回；
确定所述第一传感器返回和／或第二传感器返回的梯度；和
至少部分地基于所确定的梯度和／或所述测距系统的梯度极限来衰减所述第一传感器返回和／或第二传感器返回。
12.一种用于检测和测距的系统，包括：
收发器／控制器，包括：
脉冲发生器，配置为产生具有载波的脉冲；
相关器，配置为基于返回信号和所述脉冲来确定相关返回信号，所述返回信号表示从目标反射的所述脉冲的至少一部分；
选择性衰减器，配置为将所述相关返回信号与相对于所述返回信号确定的一个边界或多个边界进行比较，并衰减所述相关返回信号的落在所述一个边界或多个边界之外的部分；和
输出，配置为提供所述相关返回信号作为目标测距信号，其中所述相关返回信号的弱相关和／或失真部分被所述选择性衰减器抑制；和
换能器或天线，耦接到所述收发器／控制器并且配置为朝向所述目标发射所述脉冲并接收从所述目标反射的所述脉冲的所述部分。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述一个边界包括：
基于由第一权重缩放的所述返回信号确定的下边界；或
基于由第二权重缩放的所述返回信号确定的上边界。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述多个边界包括：
基于由第一权重缩放的所述返回信号确定的下边界；和
基于由第二权重缩放的所述返回信号确定的上边界。
15.根据权利要求13或14所述的系统，其中，所述第一权重和所述第二权重是基于所述脉冲中的能量来确定的。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第二权重进一步基于待检测的目标的尺寸来确定。
17.根据权利要求12所述的系统，其中，所述选择性衰减器配置为至少通过用大于或等于零并且少于1的第三权重将所述相关返回信号的所述部分缩放来衰减所述相关返回信号的所述部分。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述选择性衰减器配置为调整所述第三权重。
19.根据权利要求12所述的系统，其中：
所述相关器配置为至少通过确定所述返回信号与所述脉冲之间的互相关来确定所述相关返回信号；和
所述相关器和所述选择性衰减器在现场可编程门阵列（FPGA）或数字信号处理器（DSP）中实施。
20.根据权利要求12所述的系统，其中，
所述脉冲发生器配置为调制所述脉冲内的所述载波的频率或相位以执行脉冲压缩；和
由于所述脉冲压缩引起的所述相关返回信号中的旁瓣由所述选择性衰减器抑制。
21.根据权利要求12所述的系统，其中，所述脉冲发生器配置为将所述脉冲的包络整形为矩形、三角形、梯形或高斯包络，并且其中：
用于所述脉冲的所述载波是射频（RF）波并且所述系统包括雷达；或者
用于所述脉冲的所述载波是音频（AF）波并且所述系统包括声纳。
22.根据权利要求12所述的系统，其中，所述返回信号包括从所述换能器或天线接收的第一传感器返回，并且其中所述发射器／控制器配置为从所述换能器或天线接收第二传感器返回，所述系统进一步包括：
减法器，配置为确定所述第一传感器返回和／或第二传感器返回的梯度；和
选择性衰减器，配置为至少部分地基于确定的所述梯度和／或所述系统的梯度极限来衰减所述第一传感器返回和／或第二传感器返回。
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