CN114207465A - 声纳系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于发射和/或接收具有一个或多个期望波束图的声纳波束的声纳系统。该系统具有换能器，换能器具有换能器元件的线性阵列，该换能器由元件驱动信号驱动以投射声纳波束，并且该换能器响应于接收到的声纳信号或声波而生成元件接收信号。控制单元控制换能器，并配置为基于与从换能器投射的期望波束图相关联的驱动图加权集，从波形信号生成元件驱动信号。控制单元还配置为将接收图加权集应用于元件接收信号，接收图加权与由声纳系统接收的待检测或感测的期望波束图相关联。驱动图加权和接收图加权包括幅度分量和极性分量。

Description

声纳系统和方法

技术领域

本发明涉及声纳系统和方法。特别地，尽管不是唯一地，该系统和方法可以用于水下测距、导航和目标检测。

背景技术

声纳技术在水下环境中的使用是广泛的。这种声纳技术通常用于寻找鱼，或用于水下物体或环境的检测和测绘。这既可以是娱乐层次的，也可以是商业层次的。由于这种水下环境的限制，声纳通常是执行这种任务的最佳方式。

当前传统声纳技术的通用性是有限的。典型地，如果用户想要执行各种任务或为了不同目的而使用声纳，则他们常常需要许多不同的专门化的或特制的声纳装置和/或系统。例如，窄波束声纳换能器通常用于海床的高精度分布，而宽波束声纳换能器用于以较低的精度扫描较宽的区域以找到鱼的位置。具有用于不同目的的多个不同声纳装置和/或系统不仅难以使用，而且昂贵和耗时。

在已经参考专利说明书，其他外部文件或其他信息源的本说明书中，这通常是出于提供讨论本发明的特征的上下文的目的。除非另外具体说明，否则对这些外部文件或这些信息源的引用不应被解释为承认这些文件或这些信息源在任何权限中是现有技术或形成本领域公知常识的一部分。

发明内容

本发明的至少一些实施方案的目的是提供一种声纳系统和方法，该声纳系统和方法可配置为或能够发射和/或接收一个或多个期望的波束宽度，和/或至少向公众提供有用的选择。

在第一方面，本发明广泛地包括用于发射和/或接收具有期望的波束图的声纳波束的声纳系统，包括：换能器，换能器包括换能器元件的线性阵列，所述换能器由元件驱动信号驱动以投射声纳波束，并且响应于接收的声纳信号或声波生成元件接收信号；以及可操作地连接到所述换能器的控制单元，所述控制单元配置为：基于与从换能器投射的期望波束图相关联的驱动图加权集，从波形信号生成元件驱动信号；以及将接收图加权集应用于所述元件接收信号，所述接收图加权与由所述声纳系统接收的待检测或感测的所需波束图相关联，其中所述驱动图加权和接收图加权中的每一个都包括幅度分量和极性分量。

在一个实施方案中，换能器提供平坦的辐射表面。

在一个实施方案中，换能器的换能器元件具有均匀的形状。元件可以具有任何期望的形状，并且沿着阵列的线性轴线对准。

在一个实施方案中，所述换能器包括单个线性阵列。在另一实施方案中，换能器包括彼此平行对准的多个线性阵列。

在一个实施方案中，声纳系统配置为根据一个波束图来发射和接收声纳波束。在其他实施方案中，所述声纳系统配置为根据多个波束图来发射和接收声纳波束，并且其中所述系统在操作期间可操作以在所述多个波束图之间进行选择。

在一个实施方案中，所述控制单元包括发射模块，所述发射模块包括生成所述波形信号的波形发生器和接收所述波形信号并直接或间接连接到所述换能器元件的变换器。

在一个实施方案中，所述变换器是基于所述驱动图加权配置的抽头变换器，以根据所述期望波束图生成所述元件驱动信号。在该配置中，所述抽头变换器应用或实现所述驱动图加权的幅度分量。

在所述声纳系统配置为用于根据多个可选波束图发射声纳波束的实施方案中，发射模块进一步可以包括换向器，换向器可操作以在应用到所述换能器的元件驱动信号的不同集之间切换，从而在用于发射的不同波束图之间切换。在该实施方案中，元件驱动信号的每个集对应于驱动图加权的不同集。

在另一实施方案中，所述发射模块包括生成所述波形信号的波形发生器和配置为基于所述驱动图加权生成所述元件驱动信号的多信道放大器。在该配置中，多信道放大器应用或实现驱动图加权的幅度分量。

在一个实施方案中，发射模块可以包括一个或多个放大器，以在将所述驱动信号应用到所述换能器元件之前放大所述元件驱动信号。在一种配置中，可以为每个换能器元件提供放大器。

在一个实施方案中，所述换能器元件均具有指定的正端子和负端子，并且所述发射模块配置为通过以正配置或反(负)配置应用每个驱动信号来实现或应用所述驱动图加权的极性分量。在一种配置中，驱动图加权的极性分量是正或负的二进制选择，或者可以被认为是0°或180°的二进制定相。

在一个实施方案中，所述控制单元包括接收模块和单信道接收机，所述接收模块包括直接或间接连接到所述换能器元件以接收所述元件接收信号的一个或多个加权求和电路，所述单信道接收机接收所述一个或多个加权求和电路的输出。在该实施方案中，所述一个或多个加权求和电路配置为将所述接收图加权应用于所述元件接收信号，并将所述加权信号组合成所述接收机的单个输出。

在另一实施方案中，所述控制单元包括接收模块，所述接收模块包括配置为接收所述元件接收信号并应用所述接收图加权的多信道接收机。在一种配置中，可以在接收机的每个信道的输出处应用加权。然后，接收模块可以配置为将那些加权的输出求和为用于信号处理的输出信号。

在声纳系统配置用于根据多个可选波束图接收声纳波束的实施方案中，接收模块可以配置可操作以取决于所述系统正在接收和处理哪个波束图来在接收图加权的不同集之间选择性地切换以应用于所述输入元件接收信号。例如，在一种配置中，接收模块的多信道接收机可用于取决于期望哪个波束图根据接收图加权的不同集来切换应用于元件接收信号的衰减器或增益。在一种形式中，可以在接收元件信号的数字化之后应用该接收图加权，使得可以在软件或固件中应用该加权并在两者之间切换。

在一个实施方案中，所述声纳系统进一步包括发射-接收开关或开关阵列，所述开关或开关阵列可操作以取决于所述系统以发射模式还是接受模式操作来切换发射模块和接收模块之间的换能器连接。

在一个实施方案中，声纳系统进一步包括连接到控制单元的信号处理单元。信号处理单元可以配置为在发射模式期间控制发射模块，和/或在接收模式期间控制接收模块，用于进一步处理从接收机输出的声纳信号。

在一个实施方案中，声纳系统进一步包括一个或多个显示器，用于显示由所述信号处理单元生成的声纳数据。

在一个实施方案中，所述驱动图加权和/或接收图加权是预定的或预先计算的，并由所述声纳系统实现。在一个实施方案中，所述驱动图加权和/或接收图加权由加权函数计算算法计算。

在一个实施方案中，加权函数计算算法包括迭代优化级，以基于加权的初始集和期望波束图响应生成优化的驱动图加权。

在一个实施方案中，所述迭代优化级配置为基于成本函数和停止准则来迭代地修改所述加权的初始集，以生成针对所述期望波束图响应而优化的所述优化的驱动图加权和/或接收图加权。

在一个实施方案中，所述迭代优化级可以配置为优化所述加权，以实现在远场中在其波束宽度上具有基本上均匀的强度或响应的波束图。

在实施方案中，加权函数计算算法包括：以加权的初始基本序列的形式生成加权的初始集；基于所述初始基本序列估计来自所述换能器元件的远场阵列压力响应；评估初始基本序列的成本函数，其中所述成本函数与偏离所述波束图的期望远场阵列压力响应的范围相关；迭代地修改和重新评估经修改的基本序列，直到对成本函数没有改进以优化所述基本序列；以及基于经优化的基本序列生成所述驱动图和/或接收图加权。

在一个实施方案中，所述成本函数基于期望的远场阵列压力响应来操作，所述远场阵列压力响应包括在远场中在其波束宽度上具有基本上均匀的强度或响应的波束图。

在一个实施方案中，初始加权集是初始基本序列。

在一个实施方案中，所述初始基本序列是以下中的任一个：二进制序列、巴克(barker)序列、经修改的二进制序列或经修改的巴克序列。

在一个实施方案中，起始基本序列是任何序列。

在一个实施方案中，基本序列是实数的有序集或序列。

在一些实施方案中，所生成的加权旨在生成在远场中在其波束宽度上具有基本上均匀的强度或响应的波束图。

在第二方面，本发明广泛地包括一种用于发射具有期望波束图的声纳波束的声纳系统，包括：换能器，换能器包括换能器元件的线性阵列，所述换能器由元件驱动信号驱动以投射声纳波束，并且响应于接收的声纳信号或声波生成元件接收信号；以及可操作地连接到所述换能器的控制单元，所述控制单元配置为：基于与从换能器投射的期望波束图相关联的驱动图加权集，从波形信号生成元件驱动信号，其中所述驱动图加权的每一个包括幅度分量和极性分量。

在第三方面，本发明广泛地包括一种用于接收具有期望波束图的声纳波束的声纳系统，包括：换能器，换能器包括换能器元件的线性阵列，所述换能器由元件驱动信号驱动以投射声纳波束，并且响应于接收的声纳信号或声波生成元件接收信号；以及控制单元，其可操作地连接到所述换能器，所述控制单元配置为将接收图加权集应用于所述元件接收信号，所述接收图加权与由所述声纳系统检测或感测的期望波束图相关联，其中所述接收图加权的每一个包括幅度分量和极性分量。

本发明的第二和第三方面可以具有关于本发明的第一方面提到的任何一个或多个特征。

在第四方面，本发明广泛地包括一种从包括换能器元件的线性阵列的换能器发射具有期望波束图的声纳波束的方法，该方法包括：基于与期望波束图相关联的驱动图加权集，从波形信号生成元件驱动信号集，以从所述换能器投射；以及将所生成的元件驱动信号集应用到换能器元件，以生成具有期望波束图的声纳波束，其中每个驱动图加权包括幅度分量和极性分量。

在第五方面，本发明广泛地包括一种从包括换能器元件的线性阵列的换能器接收具有期望波束图的声纳波束的方法，该方法包括：从所述换能器元件接收元件接收信号集；将接收图加权集应用于所述元件接收信号以生成加权信号，所述接收图加权与所述期望波束图相关联；以及基于所述加权元件接收信号生成一个或多个输出信号，所述加权元件接收信号表示根据所述期望波束图接收的声纳波束，其中所述接收图加权的每一个包括幅度分量和极性分量。

在第六方面中，本发明广泛地包括一种在声纳系统中生成驱动图加权和/或接收图加权以应用于元件驱动信号或元件接收信号的方法，所述声纳系统使用包括换能器元件的线性阵列的换能器，所述加权用于使用所述换能器的发射和/或接收的特定期望波束图，所述方法包括：

生成或接收加权的初始基本序列；

基于所述初始基本序列估计来自所述换能器元件的远场阵列压力响应；

评估初始基本序列的成本函数，其中所述成本函数与偏离所述波束图的期望远场阵列压力响应的范围相关；

迭代地修改和重新评估经修改的基本序列，直到对成本函数没有改进以优化所述基本序列；以及

基于经优化的基本序列生成所述驱动图和/或接收图加权。

在一个实施方案中，初始基本序列是二进制序列。在另一个实施方案中，起始基本序列是巴克(barker)序列。在另一个实施方案中，初始基本序列是经修改的二元或巴克序列。在另一个实施方案中，起始基本序列是任何序列。

在一个实施方案中，加权的基本序列是实数。

在一个实施方案中，生成或接收初始基本序列包括接收代表所述初始基本序列的输入数据。

在一个实施方案中，该方法可以进一步包括基于所述优化的基本序列输出表示所生成的驱动图和/或接收图加权的数据。

在一个实施方案中，该方法可以是计算机实现的，或者由配置为执行该方法的步骤的一个或多个处理器来实现。

在第七方面，本发明广泛地包括一种计算机可读介质，其上记录有计算机可读指令，用于由处理器执行，以执行本发明的第六方面的方法。

本发明的第四至第七方面可以具有关于本发明的第一至第三方面提到的任何一个或多个特征。

术语或短语的定义

本说明书和权利要求书中使用的术语‘包括’是指‘至少部分由...组成’。当解释包括术语‘包括’的本说明书和权利要求书中的陈述时，除了在每个陈述中由该术语作序的特征之外，还可以存在其他特征。诸如‘包含(comprise)’和‘包含(comprised)’的相关术语将以相似的方式解释。

短语“计算机可读介质”应当被认为包括单个介质或多个介质。多个介质的示例包括集中式或分布式数据库和/或相关联的高速缓存。这些多个介质存储一个或多个计算机可执行指令集。短语“计算机可读介质”还应当被理解为包括能够存储、编码或携带用于由计算设备的处理器执行的指令集并且使得处理器执行这里描述的任何一个或多个方法的任何介质。计算机可读介质还能够存储、编码或携带由这些指令集使用或与这些指令集相关联的数据结构。短语“计算机可读介质”包括固态存储器、光学介质和磁性介质。

除非上下文另有说明，否则本说明书和权利要求书中使用的短语‘驱动图’旨在表示，应用到一个或多个主驱动信号以生成应用到换能器元件的线性阵列的单独元件驱动信号集的幅度和/或极性调整或修改或加权，其中应用到阵列中每个单独元件的信号可以根据驱动图相对于至少一些其他单独元件驱动信号在幅度/电平和极性上变化。

除非上下文另有说明，本说明书和权利要求书中使用的短语‘接收图’旨在表示，应用到来自换能器元件的线性阵列单独元件接收信号集的幅度和/或极性调整或修改或加权的图。

除非上下文另有说明，本说明书和权利要求中使用的与应用到换能器元件的线性阵列的换能器元件驱动信号相关的短语‘极性’旨在表示，所应用的并且与沿着线性阵列的换能器元件的端子相关的正或负驱动信号，使得简单地通过反转应用驱动信号的另一换能器元件的端子，应用到阵列中的一个换能器元件的“正”驱动信号可以作为“负”驱动信号应用到阵列中的另一换能器元件。

数值范围

意图是，对本文公开的数字范围的引用(例如1至10)也包含对该范围内所有有理和无理数的引用(例如1、1.1、2、3、3.9、4、5、6，6.5、7、8、9和10)以及该范围内的任何有理和无理数范围(例如2至8、1.5至5.5和3.1至4.7)，并且因此，此处明确公开了所有范围的所有子范围。这些仅仅是具体意图的示例，并且所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能组合被认为在本申请中以类似的方式清楚地陈述。

如本文所用，跟随名词后的术语‘s’意指名词的复数和/或单数形式。

如本文所用，术语‘和/或’意指‘和’或‘或’，或在其中上下文允许两者。

本发明包括前述内容，并且还设想了以下给出的实施例的构造。

附图说明

现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明的实施方案，其中：

图1示出了安装在船上并在水体中使用的根据本发明实施方案的声纳系统；

图2示出了根据本发明实施方案的声纳系统的主要部件的高级框图；

图3是根据本发明实施方案的示例声纳系统配置的部件的框图；

图4示出了根据本发明实施方案的换能器阵列的一部分的部件的截面图；

图4A-4D示出了根据本发明进一步实施方案的换能器的不同类型的线性阵列配置的各种示例的示意图；

图5是根据本发明实施方案的单静态声纳系统形式的第一示例声纳系统配置的部件的框图；

图6是根据本发明实施方案的图5的第一示例声纳系统配置的主要部件的电路图；

图7是根据本发明实施方案的可操作以选择性地生成不同宽度的投影仪声纳波束的单静态声纳系统形式的第二示例声纳系统配置的部件的框图；

图8是根据本发明实施方案的图7的示例声纳系统配置的主发射机、变换器、换向器和换能器部件的电路图；

图9示出了根据本发明实施方案的图7和图8中类型的声纳系统，并且特别说明了可以被选择用于在水体中以不同波束宽度发射和/或接收的不同投影仪波束宽度(可切换波束)的示例；

图10是根据本发明实施方案的计算加权函数的方法的总流程图；

图11是示出根据本发明实施方案的使用巴克序列和使用加权函数修改的巴克序列获得的波束对波束宽度响应的示例的图；

图12A是示出根据本发明的实施方案的由初始加权的两个不同的相应集生成的两个不同的加权参数集合，而成本函数保持相同的图；

图12B是示出由图12A的两个加权参数集生成的两个波束图的图；

图13是示出根据本发明实施方案的示例加权参数集的不同频率下的波束图的图；以及

图14是根据本发明实施方案的使用加权参数集具有80度波束的13元件线性传感器的测量波束图，该加权参数集使用关于图10描述的加权函数计算过程来计算。

具体实施方式

在以下描述中，给出具体细节以提供对实施方案的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施方案。例如，可以在框图中示出模块、功能、电路等，以便不以不必要的细节模糊这些实施方案。在其他情况下，为了不模糊实施方案，可能不详细说明已知的模块、结构和技术。

此外，应当注意，实施方案可以被描述为被描述为流程图、流程图图示、结构图或框图的过程。尽管流程图都可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或同时执行。此外，可以重新布置操作的顺序。过程在其操作完成时终止。过程可以对应于方法、函数、过程、子例程、子程序等。当过程对应于函数时，其终止对应于函数返回到调用函数或主函数。

以下描述的系统和方法的各方面可在任何类型的硬件系统、硬件平台、可编程设备、通用计算机系统或计算设备上操作，包括但不限于台式机、膝上型计算机、笔记本、平板、智能电视或移动设备。术语“移动设备”包括但不限于无线设备、移动电话、智能电话、移动通信设备、用户通信设备、个人数字助理、移动手持计算机、膝上型计算机、诸如智能手表和头戴式设备的可穿戴电子设备、能够读取电子内容的电子书阅读器和阅读设备和/或通常由个人携带和/或具有某种形式的通信能力(例如，无线、红外、短距离无线电、蜂窝等)的其他类型的移动设备。可以理解，这些系统、平台和设备通常包括用于执行可编程指令的一个或多个处理器和存储器。

1.系统

1.1概述

本发明涉及一种声纳系统和相关的配置方法，用于配置声纳系统以使用线性阵列换能器以一个或多个期望的波束宽度投射和/或接收声纳波束。为了发射或作为投影仪，声纳系统配置为或可配置为将预定的驱动图或信号序列应用到线性阵列换能器的各个元件，所述驱动图或信号序列沿阵列在幅度和/或极性上变化，以在所投射的声纳波束中生成期望的波束图(例如，波束宽度和/或其他方面)。同样地，为了接收或作为水听器，声纳系统配置为基于将接收图应用于沿换能器阵列在幅度和/或极性上变化的各个元件接收信号来接收具有期望波束图(例如波束宽度和/或其他方面)的声纳波束。取决于配置，声纳系统可以是发射机、接收机或可操作以进行两者。

在一些实施方案中，如将通过示例描述的，使用声纳系统的发射和接收可以基于单信道发射机和/或单信道接收机。特别地，对于发射，应用驱动图以修改单个主驱动信号，从而生成单独的换能器元件驱动信号的序列或系列，这些单独的换能器元件驱动信号并行地应用到元件的线性阵列，以投射期望的波束图。同样，对于接收，应用接收图来修改各个换能器元件接收信号的幅度和/或极性，以接收期望的波束图。利用这样的系统，对驱动或接收信号应用时间延迟和/或相移技术对于控制投射或接收的波束图不是必需的，尽管如果需要，为了波束控制或其他信号处理原因，在一些实施方案中可以使用这样的技术。

在一些实施图中，如将通过示例描述的，声纳系统和方法可以提供多用途配置，该多用途配置允许选择性地改变声纳装置的波束图，并且可选地或附加地允许在不同声纳模式之间改变。例如，声纳系统可配置为在以下声纳模式中的任何一个或多个中操作：分裂波束声纳、多波束声纳、单波束、单静态和/或双静态。所公开的多用途声纳系统和方法利用线性多元件换能器阵列和处理器或控制单元，以及可选地利用发射模块和/或接收模块来实现这一点，如下所述。

如图1所示，声纳换能器6典型地位于漂浮在水体4中的船的水上船只2上。水体4具有顶面和底面，例如海底。本实施方案中的声纳换能器6适于通过水体4向海底发射声纳输出5，并接收来自水下环境的反射声纳回波信号，如本领域技术人员所理解的。系统的用户能够经由显示和控制单元8观看和控制包括声纳换能器6的声纳系统。

参考图2，示出了声纳系统10的部件的实施方案。声纳系统10包括声纳换能器12和连接到声纳换能器12的控制单元或处理器14。声纳系统10还可以包括连接到控制单元14的信号处理单元16。在该实施方案中，信号处理单元连接到控制单元或处理器14，并配置为处理接收到的一个或多个信号，以提供接收到的回波信号的表示。

在该实施方案中的声纳换能器12用于在水下环境中发射和接收声纳信号。在一种配置中，换能器可以是具有换能器元件的线性阵列的单个部件。整个阵列可用于发射和接收，或在另一配置中，元件的一部分可专用于发射，而元件的其余部分专用于接收。在另一示例中，阵列元件的一部分可发射和接收，阵列元件的另一部分可仅发射，且阵列元件的另一部分可仅接收。在其他配置中，换能器可以由两个或更多个不同的换能器阵列模块来表示，无论这些换能器阵列模块是彼此相邻地定位还是被移位分开一定距离。就用于发射、接收或两者的阵列元件的使用而言，同样的换能器阵列配置可以再次应用于每个换能器模块。

声纳系统10具有可操作地连接到声纳换能器12的控制单元14，如图所示。该连接可以通过多个不同的协议经由例如有线或无线连接。在该实施方案中，换能器12具有发射和接收功能。控制单元14用于控制声纳换能器12的发射和接收。在其他实施方案中，控制单元可以可操作地连接到两个或更多个不同的声纳换能器，每个声纳换能器专用于发射或接收之一。

声纳系统10可以进一步包括一个或多个显示单元18，显示单元能够向声纳系统的用户提供从声纳换能器获得的信息或数据，信息或数据示出例如海底或在水体中游泳的鱼的表示。显示单元18可以通过有线或无线连接连接到信号处理单元，或者连接到处理器或控制单元14。一个或多个显示器配置为以一种或多种不同的显示形式向用户显示所接收的回波信号的表示，如本领域技术人员所理解的。

在一些实施方案中，声纳换能器12、控制单元14、信号处理单元16和显示单元18中的一个或多个的一些或全部部件可以在物理上共处一地，而在其他实施方案中，这些部件可以在物理上分开。换言之，应当理解，取决于设计要求，一个或多个部件的硬件配置可以是完全或部分集成或物理分离的。仅作为示例，在一个实施方案中，控制单元14的一些部分或部件可以在物理上与声纳换能器12位于同一物理模块中或一起提供。应当理解，部件的功能对于系统是重要的，并且硬件和软件配置以及部件在集成和/或分离方面的连接可以取决于应用或设计要求而变化。

参考图3，示出了多用途声纳系统20的更详细的实施方案。根据该实施方案的声纳系统20包括声纳换能器22，该声纳换能器包括换能器元件的一个或多个线性阵列，这将在下面进一步解释。在该实施方案中，声纳系统20进一步包括控制单元26，控制单元连接到换能器元件的每个线性阵列，或者通常可以连接到换能器22。在该实施方案中，声纳系统配置为提供声纳波束的发射和接收，并且因此控制单元26包括发射模块29和接收模块28。发射模块29或发射机或发射机电路操作或驱动声纳换能器22以生成或投射声纳波束，并且接收模块28或接收机或接收机电路配置为，在响应于所接收的声纳波束而生成的来自声纳换能器22的接收信号被信号处理单元16接收和进一步处理之前，接收和预处理或准备接收信号。在该实施方案中，控制单元26的发射和接收模块经由切换阵列(切换阵列)24连接到换能器22。在一种配置中，线性阵列中的每个换能器元件可以具有切换阵列24中的相应开关，其可以控制各种功能，如将解释的。在其他配置中，换能器元件可以共享切换阵列24中的一个或多个开关。

使用声纳系统发射声纳信号需要信号发生器，在本实施方案中，信号发生器以波形发生器的形式包含在控制单元26内。在大多数实施方案中，还提供了连接到波形发生器的功率放大器，该功率放大器用于放大由波形发生器生成的信号以进行发射。通常，波形发生器和放大器设置在控制单元26的发射模块29中。

在该实施方案中，波形发生器和放大器形式的信号发生器提供单信道输出信号或单个波形信号，其通过切换阵列24以限定所需波束图的方式连接到换能器22。例如，系统电路配置为根据期望的驱动图来转换或修改由信号发生器生成的单个主驱动信号，以生成和/或向换能器阵列的元件应用期望的单独的元件驱动信号集(其可以在幅度和/或极性上相对于彼此变化)，从而投射期望的声纳波束图。在可选实施方案中，发射模块中的信号发生器可以配置为向切换阵列24提供两个或多个输出信号以应用于换能器元件。

现在将进一步解释多用途声纳系统的实施方案的其他部件，该多用途声纳系统允许改变声纳装置的波束图，并且可选地或附加地允许在不同声纳模式之间的改变。在该实施方案中，波束图的变化主要涉及波束宽度的变化，但是应当理解，相同的操作原理可以适用于或应用于改变投射或接收的波束图的其他方面或特性。

1.2换能器

在声纳系统20的操作期间，一个或多个声纳信号由换能器22通过水体发射。发射信号的发射参数由控制单元26控制。控制单元26还控制换能器22的接收机部分以接收来自局部水体的反射声纳信号。特别地，控制单元26从声纳换能器22接收表示反射声纳信号的电信号。然而，可以理解的是，如果需要，声纳换能器也可以单独用作声纳信号的发射机或单独用作声纳信号的接收机。

声纳系统包括声纳换能器，该声纳换能器包括一个或多个线性阵列或换能器元件。图4示出了根据一个实施方案的声纳换能器30的一部分的截面示意图。换能器30由换能器元件32的线性阵列组成，换能器元件将电信号转换成声信号，反之亦然。单独的换能器元件32可以基于压电的、磁致伸缩的或现代的复合材料，或者通过移动线圈装置或其他原理来构建。

参考图4A-4D，仅作为示例，声纳系统可以利用任何形式或结构的线性阵列换能器，例如但不限于任何形式的线性阵列。在一些配置中，如图4A-4C所示，换能器可以包括任何任意形状的换能器元件32a-32c的线性阵列30a-30c，换能器元件相对于或沿着轴线AA对准和/或相对于或沿着对应于各个元件驱动信号应用或驱动图序列应用的方向33对准。图4A示出了圆形或盘形换能器元件32a的线性阵列。图4B示出了环形段32b形状的元件的线性阵列。图4C示出了细长换能器元件32c的线性阵列30d。在其他配置中，如图4D所示，换能器可以由彼此平行设置的换能器元件32d的多个线性阵列形成。例如，线性阵列30d包括沿平行对准的各个轴线BB、CC、DD、EE、FF和GG表示的六个线性阵列。线性阵列也沿着或相对于对应于单个元件驱动信号应用或驱动图序列应用的方向33对准。在该示例中，如果每个线BB、CC、DD、EE、FF和GG表示阵列中的列，则一行中的六个元件中的每一个具有应用到其上的相同驱动信号，即，每行元件具有根据关于方向33的驱动图应用到其上的其自己的相应驱动信号。在图4D所示的该示例中，元件阵列的整体配置形成具有任何期望的任意横截面形状(例如圆形、椭圆形、双曲线形、曲线形或任何期望的形状)的圆柱形表面。在其他形式中，元件阵列的整体构造可以是平坦表面。

在一些实施方案中，声纳系统将使用包括换能器元件的线性阵列的换能器，其中换能器元件之间的间隔是均匀的。在其他实施方案中，声纳系统将使用包括换能器元件的线性阵列的换能器，其中换能器元件之间的间隔是任意的。在其他实施方案中，线性阵列中的一些元件组具有彼此均匀的间隔，而其他元件具有不均匀的间隔。在其他实施方案中，该系统可以使用线性阵列，其中存在元件组，并且其中组内元件间隔在组内是均匀的，但是组之间的组间间隔是不均匀的。

在声纳系统中，从线性阵列换能器投射的声纳波束是具有根据驱动图的期望波束图的声纳波束。在一个示例性实施方案中，波束被投射在垂直于换能器的辐射表面的投射平面中，并且其中投射平面包含或对准或平行于应用到换能器元件的线性阵列的线性阵列或驱动图序列应用方向的线性轴线。在一个实施方案中，所投射和接收的声纳波束是条带波束(swath beam)，条带波束是在一个方向(与投射平面重合)上覆盖宽视角或视场并且在垂直方向(即与投射平面垂直的方向)上具有较窄或较薄的宽度或焦点的远场声波束。

声纳换能器元件32可以将电信号转换成声能，并且相反地，可以将通过压力变化检测的声能转换成电信号。在操作中，换能器元件可以生成以波束图发出的声压信号，从而生成压力波，其中压力波随着其远离源而扩展。

声纳声束由换能器透射通过水体并从其遇到的物体反射。反射的声音然后可以以声纳返回信号(或回波信号)的形式返回到换能器元件，并且换能器元件将该声能转换成电能。声纳返回信号表示物体和声音传播路径的若干特性，如技术人员所理解的。基于已知的声速，可以确定到水上或水下物体的距离和/或位置，如本领域技术人员所理解的。

声纳换能器元件可以被操作或驱动以生成不同的波束图。波束图可以具有不同的特性，例如但不限于波束宽度、波束形状和波束方向。波束宽度是声纳信号在水体中传播的角度的宽度，例如具有宽波束宽度角的条带波束，或具有窄波束宽度角的笔形波束。射束方向是射束相对于换能器辐射表面的总角传播方向。波束宽度也可以被认为是从其辐射或接收大部分功率的孔径角，并且波束方向通常是该角度的平分线的方向。波束形状可以表示声纳波束的类型，例如它包括单个主瓣还是两个或多个主瓣。换能器发射或接收由控制单元控制/设置的声能，该控制单元定义波束图和方向。

另外，由换能器元件生成的波束图对于不同的声纳模式可以是不同的。在该实施方案中，单波束声纳模式利用固定的投影仪和接收机波束，多波束声纳模式通常在固定的投影仪波束内生成多个接收机波束，而分波束声纳模式通常使用三个或四个接收机元件来区分相对窄的固定投影仪波束内的目标位置。

声纳换能器30可以包括换能器元件32的一个或多个线性阵列，这些可以是有源声换能器元件。在一个实施方案中，换能器元件32的阵列和/或换能器结构本身可以配置为提供平坦的辐射和接收表面，尽管这在所有实施方案中不是必需的。可以由换能器生成的波束图的类型部分地由各个换能器元件的位置和/或布置来规定。所生成和接收的波束图的类型也可以由应用到各个元件的驱动图和/或接收图来确定。例如，给予每个单独元件的驱动信号或接收信号的加权的极性和强度将确定生成或接收的波束图，这将在后面进一步详细解释。

在该实施方案中，换能器是分组成一个或多个换能器模块的换能器元件的线性阵列。这些换能器模块可以是相同的，其中每个换能器模块包含相同数量的换能器元件。在可选实施方案中，基于不同的要求，每个换能器模块可以具有不同数量的换能器元件。例如，一个模块可以用于诸如单波束模式的声纳模式，并且需要预定数量的换能器元件，以便在期望的声纳模式最佳地起作用。换能器模块的数量可以取决于目标参数，例如用于声纳系统的发射和/或接收的波束图。每个换能器模块可以包含一个或多个换能器元件。同样，每个换能器模块中的换能器元件的数量可以取决于目标参数，例如用于声纳系统的发射和/或接收的波束图。在该实施方案中，每个换能器模块是换能器元件的线性或线性阵列的形式。

在一个实施方案中，换能器阵列中的每个换能器模块包含用于发射和接收声波的多个换能器元件，阵列中的其他换能器元件可以专门用于发射或接收。在另一实施方案中，换能器模块中的所有换能器元件可用于发射，而另一换能器模块中的所有换能器元件可用于接收。每个换能器模块的换能器阵列可以具有一个或多个可操作以在水体中发射声纳信号的换能器元件，并且可以具有至少一个可操作以从水体接收声纳信号的换能器元件。可选地，或除此之外，一个或多个换能器元件可操作以在水体中发射和接收声纳信号。

总之，换能器包括换能器元件的一个或多个线性阵列，并且在一些配置或实施方案中，元件可以被分组或定义为模块或元件组。如将理解的，取决于声纳系统的配置和换能器的使用，例如它是用于发射、接收还是用于两者，以及它可在其中操作的一种或多种声纳模式的类型，换能器阵列中的单个换能器元件可以在以下配置的任一种中操作或采用：

·用于发射的所有元件

·用于接收的所有元件

·用于发射的一些元件和用于接收的一些元件

·用于发射和接收的一些或全部元件(以及仅用于接收的其余元件或仅用于发射的其余元件)

·一些元件用于发射和接收，一些元件仅用于发射，一些元件仅用于接收。

如果换能器阵列包括元件的定义模块，则在一些配置中，元件的角色可以由该模块确定，但是在其他配置中，元件的角色可以独立于换能器内的它们的关联模块。

如图4所示，每个换能器元件32可以在声学上和/或电气上与其他换能器元件隔离。在该实施方案中，每个换能器元件与其相邻的换能器元件间隔相等的距离。在可选实施方案中，换能器元件之间的间隔可以不同，这取决于目标参数，例如用于声纳系统的发射和/或接收的波束图。在该实施方案中的换能器元件32容纳在支撑结构36内。支撑结构36可由低声阻抗间隙填充材料或任何其他合适的材料制成。支撑结构36用于将每个换能器元件32与其相邻的换能器元件声学地和/或电气地隔离。

参考图4所示的换能器阵列30的示例性实施方案，每个有源声学元件32可以是包括诸如压电材料的有源声学材料38的声学换能器元件，其耦合在可电激励的电极34之间。另外，每个声学元件32可以设置有直接或间接耦合到有源声学材料38的一个或多个匹配层37。每个有源声学元件32可以包括位于辐射表面35和有源声学材料38之间的匹配层37。

线性阵列中的换能器元件的数量可以变化，作为示例，典型地可以在5和21个元件之间的范围内变化。线性阵列中换能器元件的数量、形状和尺寸可以基于系统的操作要求来确定，例如期望的操作频带和/或期望的应用。

所说明的换能器连接到控制单元，控制单元可操作地连接到一个或多个换能器元件中的每一个。控制单元配置为确定并向阵列中的换能器或单个换能器元件提供驱动信号或图和/或接收图，其中控制或改变应用到换能器元件的驱动图或接收图允许声纳换能器或收发器以可变波束图(例如波束宽度)发射和/或接收声纳信号和/或允许换能器或收发器在两个或更多个期望的声纳模式之间交替，如现在将进一步解释的。

1.3控制单元

参照图3，根据该实施方案的声纳系统20包括声纳换能器22，该声纳换能器包括一个或多个转换器元件的线性阵列，如前所述。声纳系统22进一步包括控制单元26，该控制单元可以直接连接到元件22的每个阵列，或者可选地可以一般通过切换阵列24连接到换能器22。

在该实施方案中，控制单元配置为根据驱动图向换能器或换能器元件应用驱动信号。控制单元还可以根据接收图通过换能器或换能器元件对一个或多个声纳信号应用加权(幅度和/或极性)。修改应用于所接收的声纳信号的驱动图和/或接收图允许声纳换能器以可变的所选波束图(例如，以不同的波束宽度或其他波束图方面)发射和/或接收声纳信号，和/或允许换能器或收发器在两个或多个期望的声纳操作模式之间交替。

发射信号的发射参数由控制单元26控制。控制单元26还控制换能器22的接收机部分以接收表示来自局部水体的反射声纳信号的声纳信号。特别地，控制单元26从声纳换能器22接收表示反射声纳信号的电信号。然而，可以理解，声纳换能器也可以单独用作声纳信号的发射机或单独用作声纳信号的接收机。

图5和图7示出了利用控制单元50或60的声纳系统48和68的示例结构。在声纳系统48和68中，控制单元50和60连接到信号处理单元和显示单元51和58，该信号处理单元和显示单元如关于图2所述的信号处理单元16和显示单元18一样操作。控制单元50和60进一步连接到上面已经详细描述的换能器元件57的线性阵列，如将理解的。现在将详细描述控制单元50和60的实施方案的其他方面。可以理解，控制单元的部件可以是电子或硬件电路、软件或它们的组合。

声纳系统可以连续地和实时地执行感测，使得用户能够在信息变得可用时接收信息，然而，感测也可以周期性地或半连续地而不是连续地进行，和/或根据需要使用存储的或单独输入的数据而不是实时地进行，这取决于用户的要求。

参考图3，在该实施方案中，发射信号的发射参数和接收的声纳信号的接收由控制单元26控制。在该实施方案中，控制单元可以具有控制所发射的信号的发射参数的发射模块，以及控制所接收的声纳信号或声波的接收的接收模块，但是应当理解，这些模块的功能可以组合在替代配置中。

在图5和7所示的实施方案中，控制单元50和60包括发射模块59和70，它们配置为生成如先前所解释的主波形信号。然后，发射模块通过基于驱动图将主波形信号转换或修改为单独换能器元件驱动信号的序列或集来定义所发射信号的发射参数。然后将单独的驱动信号提供给换能器、每个换能器元件或阵列中的换能器元件的选择。这些实施方案中的发射模块可操作用于修改驱动图或驱动信号，以允许声纳换能器以可变波束图(例如，波束宽度和/或其他波束方面)发射声纳信号，和/或允许换能器在两个或更多个期望的声纳模式之间交替，这将在下面进一步解释。

在图5和7所示的实施方案中，控制单元50和60还包括接收模块58和69，其配置为控制由换能器接收的声纳信号或声波的接收。接收模块能够将基于接收图的加权(例如，幅度和/或极性)应用于单个换能器元件接收信号，该单个换能器元件接收信号响应于在换能器处来自每个换能器元件、或来自阵列的换能器元件的选择的信号而生成。这些实施方案中的接收模块可操作以生成或修改应用于从声纳换能器接收的一个或多个信号的接收图，以便以可变波束图(例如波束宽度和/或其他波束方面)接收一个或多个信号和/或允许转换器在两个或多个期望的声纳模式之间交替，这也将在下面进一步解释。

1.4发射模块

参考图5和7，提供了发射模块59和70，其配置为响应于来自信号处理器51、58的控制信号生成一个或多个波形信号，并且可操作地连接到切换模块56。应当理解，在其他实施方案，发射模块直接连接到换能器，或者可选地直接连接到每个换能器元件。

发射模块配置为确定发射信号的发射参数，以便使声纳换能器以选择性可变的波束图(例如，波束宽度和/或其他波束方面)发射声纳信号，和/或允许换能器在两个或更多个期望的声纳模式之间交替。

在这些实施方案中，由发射模块执行的发射信号的发射参数的确定包括基于驱动图将主单个波形信号修改为单独的元件驱动信号，并将这些驱动信号提供给换能器元件。这些实施方案中的发射模块能够修改驱动图或信号，以便允许声纳换能器以可变波束图(例如，波束宽度和/或其他波束方面)发射声纳信号和/或允许换能器或收发器在两个或更多个期望的声纳模式之间交替。

在图5所示的实施方案中，发射模块包括连接到信号处理单元51的单信道发射机52。单信道发射机生成单波形信号，然后通过变换器55和其他电路将其转换为元件驱动信号，这将进一步解释。在图7所示的实施方案中，发射模块包括连接到信号处理单元58的控制器62。发射模块进一步包括类似于图5的单信道发射机52，控制器62连接到单信道发射机52。

在这些实施方案中，信号处理单元51或58可以向控制器62或单信道发射机59提供控制信号，以启动或控制单信道发射机或发射模块的波形发生器。由单信道发射机52的信号发生器或波形发生器生成的信号是单个波形信号。或者，信号发生器提供多个输出信号。信号发生器或波形发生器提供的输出信号可以基于声纳换能器发射期望的波束宽度，和/或声纳收发器或换能器工作在期望的声纳模式。

在图5和7所示的实施方案中，发射模块还包括连接到单信道发射机52的变换器55。变换器55从单信道发射机52接收单波形信号，并配置为基于驱动图生成元件驱动信号。在一些实施方案中，例如图7所示的实施方案，变换器是可操作地连接到单信道发射机的抽头变换器，并且配置为基于驱动图从单个输入信号生成多个输出元件驱动信号。在这些实施方案中，变换器55从单个输入波形信号生成单独元件驱动信号集，该驱动信号集具有相对于彼此的驱动图预先计算或预定的变化的发射电平和/或极性，用于应用到换能器元件以投射具有期望波束图(例如波束宽度和/或其他波束方面)的声纳波束。

在替换实施方案中，系统或发射模块可以包括可操作地连接到单信道发射机或控制单元的多信道放大器。在这样的实施方案中，多信道放大器配置为根据来自单个输入波形信号的驱动图以与变换器类似的功能生成多个输出元件驱动信号。

如图7所示的发射模块的实施方案还可以包括换向器64。换向器64可操作地连接到控制器62和变换器55。下面进一步解释换向器在这个和其他实施方案中的作用。

作为发射机是单信道发射机的实施方案的替换，发射机也可以是多信道发射机。多信道发射机可操作地直接或间接地通过控制器连接到信号处理单元51、58。

在这些实施方案中，发射模块59、70和接收模块58、69还连接到切换模块56。在该实施方案中，由发射模块生成的信号在被提供给换能器57之前被提供给切换模块56，和/或由换能器接收的信号在被提供给接收模块58、69之前被提供给切换模块56。切换模块配置为控制用于发射和接收的换能器的使用，并且适于在发射和接收之间交替，这将在下面进一步解释。然而，在其他实施方案中，例如当声纳系统仅用于发射时，发射模块可以直接连接到换能器57，而不需要切换模块56。发射模块为所发射的声纳信号提供发射参数。同样，如果系统仅用于接收，则接收模块可以直接连接到换能器57，而不需要切换模块56。在这些实施方案中，切换模块、发射模块和/或接收模块可以连接到换能器阵列中的每个单独的换能器元件。

由发射模块提供的信号为所发射的声纳信号提供发射参数。来自发射模块的输出元件驱动信号被提供给换能器。在一些实施方案中，来自发射模块的输出元件驱动信号控制每个换能器元件32的元件电极34。在这些实施方案中，由发射模块提供的每个输出信号的驱动电压将预先计算电平的元件激励提供给换能器元件的电极，这允许每个换能器元件在水体中在期望的角度范围上发射声波。使用由发射模块提供的输出信号来控制或修改提供给每个换能器元件的驱动电压和极性，允许声纳换能器以所选择的波束图(例如，所选择的波束宽度和/或其他波束方面)发射声纳信号，并且可选地除此之外，允许换能器或收发器在两个或更多个期望的声纳模式之间交替。可以理解，由每个换能器元件生成的各个声纳波束组合以形成根据期望波束图，例如以选定的波束宽度发射或接收的整个声纳波束。

1.4.1换能器元件驱动信号/图

由发射模块生成的输出换能器元件驱动信号为所发射的声纳信号提供发射参数。来自发射模块的这些输出元件驱动信号被提供给换能器元件。由发射模块生成的输出元件驱动信号的组合或序列被应用到换能器元件的线性阵列，以生成具有可变波束图(例如，所选择的波束宽度和/或其他波束方面)的期望的声纳波束或声纳信号，和/或允许换能器在两个或更多个期望的声纳模式之间交替。

在该实施方案中，基于换能器元件的线性阵列的配置和特性，例如考虑线性阵列中元件的数量，预先确定或计算与每个期望的波束图(例如期望的波束宽度和/或其他波束方面)相关联的驱动图。在一种配置中，驱动图是加权集或一系列加权的形式，这些加权被应用到输入的主波形信号，以便为换能器的线性阵列中的每个元件生成相应的单个元件驱动信号。在该配置中，驱动图具有与每个换能器元件相关联的单独加权。作为示例，在一种配置中，如果换能器包括10个换能器元件的线性阵列，则驱动图将具有10个加权，每个元件一个加权。在一种形式中，驱动图可以是10个加权的序列，其中加权的顺序对应于线性阵列中换能器元件的位置或顺序。例如，第一加权与线性阵列中的第一元件相关联，第二加权与线性阵列中的第二元件相关联，依此类推。如稍后将通过进一步解释所理解的，加权可以表示要应用于输入波形信号以生成相应元件驱动信号的幅度和/或极性修改，即加权表示从单个输入波形信号生成的各个元件驱动信号之间的期望幅度和/或极性差异。

可以理解，由波形发生器生成的输入波形信号可以是用于生成声纳波束的任何合适形式的信号，包括随机噪声、啁啾信号、正弦信号或任何其他合适的输入信号。发射模块有效地复制所生成的单个波形信号，为每个换能器元件复制，并将相应的加权应用于每个信号副本，以生成用于换能器元件的线性阵列的相应的单个元件驱动信号。如上所述，加权定义了对每个复制信号的预期幅度和/或极性(例如，180°的相位反转)的预期修改，以生成期望的元件驱动信号集。

可以理解，换能器元件驱动信号被应用到每个换能器元件32的元件端子或电极34。所应用的驱动信号向换能器元件的电极提供对预先计算的加权电平的元件激励，这允许每个换能器元件发射声波，使得由所有单个元件声波的组合或叠加生成的集合声纳波束具有根据驱动图的期望波束图。

控制或修改提供给每个换能器元件或模块的元件驱动信号的集或序列允许声纳换能器以可变的选定波束图(例如，不同的波束宽度和/或其他波束方面)发射声纳信号或声纳波束，并且可选地，或除此之外，允许系统选择性地以两种或更多种期望的声纳模式操作。因此，可以理解，对于期望的波束图和/或期望的声纳模式，提供给换能器元件或模块的驱动图和/或元件驱动信号集或序列可以配置和选择以实现期望的声纳波束结果。

可以理解，在一些实施方案中，如果仅需要用于声纳波束的单个波束图，则声纳系统可以用单个驱动图预配置或基于单个驱动图预配置。在其他实施方案中，可以基于多个不同的驱动图来配置发射模块，每个驱动图与不同的期望波束图相关联。在这样的实施方案中，发射模块可选择性地操作，以根据预定的多个驱动图中的任何一个应用元件驱动信号集，从而使声纳系统从多个可用波束图中投射出选定的声纳波束图。例如，在操作期间，声纳系统可以配置为从根据第一驱动图(表示第一声纳波束图)的第一元件驱动信号集切换到根据第二驱动图(表示第二声纳波束图)的第二驱动信号集，其改变应用到换能器的一个或多个驱动信号，从而将投射波束从第一波束图切换到第二波束图。在一个示例中，第一波束图可以是广角波束，而第二波束图可以是窄角波束。在另一示例中，第一波束图可以具有单个主瓣，而第二波束图可以具有两个主瓣。

可以理解的是，控制单元的发射模块可以配置为经由任何形式的电气或电子硬件和/或软件部件来实现或应用一个或多个预定驱动图。将进一步解释用于实现控制单元和发射模块的各种电路配置的一些示例，但是应当理解，用于实现功能的其他配置也是可能的。

在可以选择多个波束图的声纳系统的一个实施方案中，使用衰减配置来实现可切换波束图。例如，在一种配置中，取决于期望的驱动图，一组一个或多个衰减器可以连接到每个换能器元件或至少一些换能器元件。在这种配置中，在衰减器和换能器元件之间提供开关。通过将换能器元件切换到不同的衰减器，可以根据驱动图改变元件驱动信号，从而改变由换能器投射的波束图。在另一种配置中，可以使用连接到波形发生器的抽头变换器配置来提供衰减配置，用于生成所需的元件驱动信号。在另一种配置中，衰减配置可通过将换能器元件串联或并联连接或切换以实现所需的元件驱动信号来实现。

在该实施方案中，换能器可以生成具有不同波束图(例如不同波束宽度或其他波束方面)的一个或多个波束。在生成条带束并从不同的束宽度中进行选择的情况下，束可以被定义为以相对于垂直于换能器阵列的辐射表面并与穿过线性阵列的换能器元件的线(即，线性轴线)对准或平行的平面所定义的视角范围来投射。

在一些实施方案中，发射模块能够通过仅改变提供给换能器元件的驱动电平来生成具有不同波束图的波束，例如不同的波束宽度，如宽波束和/或窄波束。通过改变驱动电平，可以使用简单的换能器。在这些实施方案中，仅向每个换能器元件或模块提供单个驱动信号。在一些实施方案中，衰减器或变换器用于向每个换能器元件或模块提供不同的驱动电平。这些实施方案相当于简单的换能器，因为系统仅利用驱动电平调节来实现可变的波束宽度。

在另一个实施方案中，根据驱动图由发射模块生成或应用的元件驱动信号可以包括具有变化的或选择的驱动电平和极性(相对于由信号发生器生成的原始波形信号)的元件驱动信号。换句话说，驱动图的加权具有幅度或电平方面和极性方面。例如，衰减配置可以提供改变或修改驱动电平的装置，并且可以以各种方式提供或应用相对极性(即，正或负)。例如，可以通过将驱动信号应用到元件的端子来确定元件驱动信号的极性。例如，在一种配置中，极性可以被认为是二进制定相，即具有0°或180°相位差以生成正极性或负极性。例如，元件端子连接的第一取向可以表示正极性，而反向端子连接可以表示负极性。驱动信号的极性也可以被认为是在同相(0°)或反相(180°)之间选择或应用的。在该实施方案中，来自波形发生器的单个输入信号被转换成多个换能器元件驱动信号，每个换能器元件驱动信号具有根据驱动图的特定驱动电平和极性，以便生成期望的声纳波束图。

发射模块可以根据驱动图生成或应用每个元件驱动信号的相移(或极性)和驱动电平。可以选择和修改元件驱动信号序列或集的每个相移(或极性)和驱动电平，以应用于线性阵列，从而获得期望的声纳波束。发射模块能够根据一个或多个预定的驱动图生成用于换能器元件或模块的元件驱动信号，换能器元件或模块是二进制相位的并且具有用于每个元件或模块的定制驱动电平，以允许声纳系统投射从多个波束图中选择的声纳波束，如不同的可选波束宽度。

在替代实施方案中，发射模块可以包括多信道驱动器，其配置为根据驱动图向线性阵列换能器中的各个换能器元件或元件模块提供具有驱动电平和极性(例如，具有0°或180°相位)的期望元件驱动信号。在其他实施方案中，如上所述，可使用将换能器元件连接到抽头变换器的换向器来提供相同的驱动图，或者可使用如前所述的其他电路配置。

在使用多信道驱动器的实施方案中，如果需要，声纳系统还可以使用已知的波束控制技术来执行波束控制，如时间延迟和/或相移。例如，在诸如渔业和勘测中使用的多波束系统中，这种波束转向可能是期望的。例如，声纳系统可以配置为生成在左舷-右舷平面中可转向的笔形波束。

1.5接收模块

在图5和7所示的实施方案中，控制单元50和60还包括接收模块58和69，其配置为控制由换能器57接收的声纳信号或声波的接收。在这些实施方案中，接收模块配置为或可配置为基于接收图对从换能器或从每个换能器元件接收的声纳信号应用加权(幅度/电平和极性)，该接收图定义了将由换能器接收的期望波束图。在使用线性阵列换能器投射和接收期望波束图的声纳波束方面，系统的接收模块或接收侧的操作的基本原理在许多方面类似于发射模块或发射侧。这些实施方案中的接收模块能够根据一个或多个可选择的接收图修改应用于从声纳换能器元件接收的一个或多个信号的加权(电平和/或极性)，以接收或处理具有期望波束图(诸如波束宽度或其他波束方面)的声纳波束。如果声纳系统仅具有一个感兴趣的波束图，则接收模块可以基于单个接收图来配置，或者可以将接收模块配置为在应用从多个预定接收图中选择的接收图之间是可切换的，即，系统可以可操作，以从多个不同的波束图中选择以接收和/或允许换能器在两个或更多个期望的声纳模式之间交替或可切换。

参考图5和7，提供了接收模块58和69，其配置为从换能器接收声纳信号。声纳信号可以表示由线性阵列中的换能器元件接收的声波。在该实施方案中，接收模块可操作地连接到切换模块56。应当理解，在其他实施方案中，接收模块可以直接连接到换能器57，或者可选地直接连接到每个换能器元件或模块，以接收一个或多个声纳信号，如果例如换能器仅用作声纳接收机(水听器)的话。

接收模块可操作地连接到显示单元和/或信号处理单元51，该显示单元和/或信号处理单元能够向声纳系统的用户提供从声纳换能器获得的信息或数据，该信息或数据示出例如海底或在水体中游泳的鱼的表示。显示单元和/或信号处理单元51配置为向用户显示所接收的回波信号的表示。所接收的回波信号的表示可以是声纳信号或表示由换能器接收的声波的信号的修改版本，其中由接收模块修改声纳信号或表示由换能器接收的声波的信号。

在图5所示的实施方案中，接收模块58包括连接到一个或多个加权求和电路54的单信道接收机53。在图7所示的实施方案中，接收模块包括可操作地连接到切换模块56的多信道接收机61。多信道接收机可以可操作地连接到换能器，或者直接连接到每个换能器元件或模块，这样接收机的每个信道从换能器元件或模块接收声纳信号。多信道接收机可以连接到换能器57，或者经由切换模块56连接到每个换能器元件或模块。

这些实施方案中的接收模块58、69进一步连接到切换模块56，其中由换能器生成或接收的一个或多个声纳信号在提供给接收模块之前提供给切换模块56。切换模块配置为控制用于发射和接收的换能器的使用，并且适于在发射和接收之间交替，这将在下面进一步解释。然而，在其他实施方案中，例如当声纳系统仅用于接收时，接收模块直接连接到换能器57以接收声纳信号。在这些实施方案中，接收模块可以连接到换能器阵列中的每个单独的换能器元件。

接收模块配置为根据接收图对所接收的换能器元件信号应用加权(电平调节和/或极性调节)，以便将系统配置为以期望的波束图(例如，期望的波束宽度和/或其他波束方面)接收和处理声纳波束和/或允许换能器在以两个或更多个期望的声纳模式接收之间交替。在一种配置中，接收模块可以根据用于接收一个期望波束图的一个接收图来配置，并且在其他配置中，接收模块可以具有多个可选择的接收图，以应用于选择性地接收不同波束图的范围。

由接收模块应用到元件接收信号的加权或接收参数是基于一个或多个加权函数，该加权函数是基于期望的波束图和换能器特性预先计算或预定的。应用于接收到的一个或多个信号的加权函数本质上类似于应用于在发射期间应用于控制波束图的一个或多个驱动信号的加权函数。

如图5所示，该系统进一步包括可操作地连接到换能器57或切换模块56的一个或多个加权求和电路54。加权求和电路配置为将从换能器元件57或切换模块56接收的多个输入信号转换或组合为单个输出，然后将其传递到接收机53。

加权求和电路54单独地连接到每个换能器元件或模块，使得它从每个换能器元件或模块接收一个或多个元件接收信号。在该实施方案中，加权求和电路配置为将预先配置的加权函数应用于接收信号或从多个不同的接收图中选择的加权函数。加权函数包括应用于来自换能器元件或切换模块56的每个单独的输入信号的加权，并将多个输入信号与所应用的适当加权转换或组合为表示接收机53的期望接收波束图的单个输出信号。

参考图6，通过经由开关连接到线性阵列换能器的相应一个或多个单独换能器元件的电阻器77的堆叠示出了加权和电路的示例。可以理解，根据接收图应用的加权可以包括对电平(例如衰减)和/或极性(例如正负之间的二进制相移)的修改。在图6的示例配置中，电阻器提供了所需的衰减加权，并且不需要进一步的极性移位或改变，因为换能器元件已经通过电路以正确的相位连接，使得元件接收信号已经根据接收图具有正确的极性而没有进一步的修改。因此，单个加权求和电路就足够了。然而，在也需要极性改变的配置中，可能需要第二加权求和电路来实现这些。

应用于输入信号的适当的加权函数用于修改接收到的声纳元件信号，以在选定的波束图(例如，可变的波束宽度或其他波束方面)上实现期望的声纳波束或声纳波形，和/或允许换能器在两个或更多个期望的声纳模式中的接收之间交替。

控制或修改提供给每个换能器元件或模块的加权允许声纳换能器以可变波束图(例如，波束宽度和/或其他波束方面)接收声纳信号，并且可选地，或除此之外，允许换能器或收发器在以两个或更多个期望的声纳模式接收之间交替。因此，应当理解，对于期望的波束图和/或期望的声纳模式，可以选择和修改提供给从每个换能器元件或模块接收的信号的加权，以实现期望的结果。例如，应用于换能器元件接收信号的加权集可以是预定的，或者根据被计算为对应于期望波束图的预定接收图。

在一个实施方案中，为了形成宽的接收机波束，元件被连接到一个或多个加权求和电路，该加权求和电路组合具有适当加权的各个元件接收信号，以允许接收来自期望波束宽度内的任何方向的声波。在可选实施方案中，可以采用传统的多信道接收机，如图7所示。在这样的配置中，多信道接收机具有多个接收机，每个接收机连接到其各自的换能器元件。然后，多信道接收机可配置为根据与期望波束图相关联的接收图，将加权集(例如，电平调整和/或极性调整)应用于各个元件接收信号。典型地，这例如以数字方式进行，但是也可以使用模拟配置。在一种配置中，可以在接收机的每个信道的输出处应用加权。然后，接收模块可以配置为将那些加权的输出求和为用于信号处理的输出信号。在该实施方案中，多信道接收机还可以可操作地调整或修改每个信道上的增益，因为不同接收机上的响应可以稍微不同。

在一些实施方案中，除了单波束和多波束图之外，换能器可用于以分波束图接收。这需要与连接到单信道前端放大器的接收机模块相邻的附加模块，其中所有元件并联。放大器的输出与换能器阵列输出或换能器阵列输出的子集相结合，用于为接收到的声纳信号提供到达角信息。

在另外的实施方案中，还处理换能器阵列输出的两个或更多个子集，以仿真具有在左舷方向上对准的换能器元件的多元件换能器。可以理解，在这些实施方案中，接收的声纳信号的到达角信息与从声纳波束提取的目标强度信息组合，并如在传统的分波束处理中那样处理。

1.6切换模块

参照图5和7，这些实施方案中的发射模块和接收模块还连接到发射-接收切换模块56。切换模块配置为控制换能器用于发射和/或接收的使用，并且适于在发射和接收图之间交替。在其他实施方案中，例如当声纳系统仅用于发射时，发射模块直接连接到换能器57。在这些实施方案中，发射模块可以连接到换能器阵列中的每个单独的换能器元件。同样地，在其他实施方案中，声纳系统可以配置为仅用于接收，并且因此可以省略切换模块。

图6示出了能够生成期望波束图的单个波束的声纳系统的示例电路布局。该实施方案包括：发射模块59，其包括波形发生器52；变换器55；接收模块58，其包括单信道接收机53和由电阻堆叠77提供的加权求和电路；换能器阵列57，其包括十个单独的换能器元件71；以及切换模块56，其包括四个开关74a-74d。在该示例中，根据期望驱动图的加权，来自变换器的10个元件驱动信号被应用到它们各自的换能器元件71的端子(例如在75处指示的+Ve正端子)。如图所示，就如何应用驱动信号而言，元件驱动信号的极性加权由端子连接相对于线性阵列中的其他元件的提供。例如，根据驱动信号应用到哪个端子(即，正或负端子)，可以看到沿10个元件的线性阵列的极性方面的加权序列。如图所示，每个驱动信号的衰减或电平调节取决于变换器的抽头。

如图所示的发射-接收开关56的切换阵列包括四个开关74a-74d。如图6所示，所示的开关74a-74d被设置为发射模式，其中开关将各个换能器元件71与发射模块59的变换器72链接，以接收它们各自的元件驱动信号。如果四个开关74a-74d被翻转或切换，则声纳系统将处于接收图，因为四个开关74将在接收模块58的单信道接收机53之前将每个换能器元件71连接到加权求和电路的电阻器堆叠中的电阻器77之一。虽然在该示例性配置中示出了四个开关74和十个换能器元件71，但是应当理解，可以采用任何数量的开关来执行从发射到接收的切换。在另一个实施方案中，一个开关可操作地连接到每个换能器元件。

1.7换向器实施方案

参照图8，在声纳系统的该实施方案中，发射模块包括变换器80、包括九个开关(A-I)的换向器64、以及包括十三个单独换能器元件82的换能器阵列57。可以理解，变换器80可以具有一个或多个抽头。例如，在一些实施方案中，系统可以采用多电平变换器。在该电路中没有示出切换模块和接收机，因为该示例性实施方案描述了仅用于选择性地生成多个投影仪波束图之一的发射函数。在该示例配置中，系统可选择性地操作以在使用换向器生成具有不同射束宽度的三个不同投影仪射束之间切换。可以理解，根据应用或声纳系统所需的不同波束图的范围，在替换实施方案中，可用的预配置波束图的数量(不论不同的波束宽度和/或其他波束方面)可以变化。

在该实施方案中，换向器64中的开关组(A-I)用于使阵列中的换能器元件换向，以生成期望的声波束，从而允许声纳装置的波束宽度的变化，并且可选地或附加地允许不同声纳模式之间的变化。除了用于实现声纳装置的波束宽度的变化和/或如前所述的不同声纳模式之间的改变的其他方法之外，还可以进行这种换向。例如，换向器可以与由发射模块生成的驱动图结合使用，和/或与由接收模块应用的加权函数结合使用。

在图8所示的该实施方案中，换向器64允许使用将换能器元件82连接到变换器55的开关A-I在三个不同的波束图选项之间改变或切换波束图。根据开关位置组合，可以在三个不同的波束宽度之间改变或切换由换能器生成的波束图(在该示例中为波束宽度)。在该实施方案中，换能器可以生成具有不同波束宽度的一个或多个波束。波束宽度可以在垂直于换能器阵列的辐射表面并与阵列的换能器元件的线性轴线对准的平面中定义。然而，可以理解，声纳系统可以配置为生成任何期望的波束形状。实际上，开关和多电平变换器使得多个元件驱动信号能够被应用到换能器元件或换能器元件的选择。每个驱动图生成其自己的相应声纳波束图(其可以由波束宽度或其他波束方面来定义)。

仍然参照图8，换向器64提供标记为A-I的九个开关，它们可在两个位置1和2之间操作。参考换向器85的开关布局和下面的表1，可以理解，下面的三个开关位置图将导致换能器形成或投射三个列出的波束宽度。由该实施方案形成的波束是诸如图9所示的那些波束、8°窄波束或笔形波束96、80°条带波束92和120°条带波束90。

表1：用于不同射束宽度的开关位置

1.8计算或确定发射和接收的加权

如上所述，无论声纳系统配置用于发射、接收还是用于发射和接收，根据要由换能器投射和/或接收的期望波束图的驱动图和/或接收图，在发射和/或接收侧上应用一组加权或加权函数。对于任何期望的波束图，对于任何给定的线性阵列换能器，计算加权的过程或方法，无论是驱动图还是接收图，都遵循相同的过程。在一些情况下，对于期望的波束图，发射和接收的加权将是相同的，而在其他情况下，它们可以不同。如将要解释的，可以使用优化过程或算法预先计算或预先确定加权，然后将加权应用或实现到声纳系统电路和/或软件，以配置声纳系统使用线性阵列换能器投射和/或接收期望的波束图。如前面所解释的，声纳系统可以基于在系统操作期间可以选择的单个期望波束图或多个不同的波束图来配置。在下文中，将描述为单个波束图生成加权集的过程，但是应当理解，可以为生成其相应加权集所需的任何其他另外的波束图重复该过程。可以理解，生成加权函数的过程可以应用于任何类型的期望波束图，无论与诸如单个窄波束或大宽波束的波束宽度相关，还是与诸如在不同方向上需要两个相等大小的波瓣的波束图的其他形状方面相关。

加权函数基于期望的波束宽度和/或期望的声纳模式。加权函数还可以基于换能器元件或模块的数量和/或位置，和/或换能器的阵列响应。因此，适当的加权函数的计算必须考虑换能器阵列的特性。可以例如使用有限元分析来测量或计算阵列响应，并且在加权函数的计算中使用由此获得的数据。

参考图10，现在将描述用于确定期望波束图的适当加权函数的计算过程100的示例实施方案。在该实施方案中，加权函数计算100包括两个阶段，即初始化阶段108和优化阶段110。在该实施方案中，优化阶段使用基于成本函数的数值优化。

在该实施方案中，由加权函数计算算法100生成的驱动图加权和/或接收图加权可以相对于包括声纳系统中的换能器元件的线性阵列的换能器的对称中心线对称或不对称。

在该实施方案中，加权函数计算算法100可应用于在元件之间具有均匀间隔或在元件之间具有任意/非均匀间隔的换能器线性阵列元件，或上述任何元件间隔配置。

在该实施方案中，加权函数计算算法100配置为生成具有幅度分量和极性分量的驱动图加权和/或接收图加权。利用这种配置，该算法能够为换能器元件生成双相位加权，例如每个加权的极性可以是正的或负的，或者是诸如0°或180°相位差的二进制定相。声纳系统可以用一组双相加权操作线性阵列的各个换能器元件。在这样的配置中，声纳系统不限于以相同的相位或极性操作或驱动换能器元件，并且可以应用其中存在极性混合的一组加权。然而，应了解，对于某些配置/应用或对于特定期望波束图响应，系统可生成具有相同相位或极性的加权集。

初始化阶段108包括指定用于导出最佳加权函数的起始参数值的装置、支持实验数据和优化控制参数。在一些配置中提供的实验或以其他方式生成的数据106包括以下各项中的一项或多项：阵列元件响应、阵列几何形状和要应用的成本函数的实验表征数据。实验或其他方面，表征数据可以例如包括远场阵列响应，可选地包括但不限于幅度和相位。在一个实施方案中，用于找到提供对目标波束形式的紧密逼近的序列的阵列元件响应实验数据106固有地包含阵列元件的相互影响和阵列的有限长度的影响。

起始参数值可能包括加权函数值的基本序列，可能是幅度，分别作为已知的代码序列或新序列或随机初始化序列导出。在一个实施方案中，基本序列104由巴克序列定义，形成第一加权参数集。在另一个实施方案中，基本序列是任何序列。在一种形式中，它是二进制序列。在另一种形式中，它是巴克序列。在另一种形式中，它是经修改的二元或巴克序列。在另一种形式中，基本序列是任何数字序列，无论是否与已知的二元或巴克序列相关。

优化级110可以包括分析解、穷举搜索、数值评估、梯度方法或其他的组合或包括这些方法的组合。可以包括静态或自适应步长控制。通过从阵列几何形状、元件响应和所考虑的加权参数集计算例如作为结果的远场阵列压力响应120的装置，为每个潜在的加权参数集评估成本函数112。

阵列响应120和成本函数112的计算可任选地在减小的操作条件范围定义，包括但不限于减小的感兴趣角度。成本函数112的计算可以包括，但不限于，远场阵列压力响应120平面对角度的偏差测量，包括感兴趣区域或其样本上的绝对最大偏差122。

停止准则114可以包括但不限于成本函数112的值、参数步长134的值、优化130的收敛度量、迭代次数或其他计算负载度量。

在示例性实现中，换能器阵列几何形状由换能器元件位置限定。提供了阵列元件远场压力响应106的实验表征数据。指定多个角度用于阵列远场压力计算。基本序列104例如由二进制序列或巴克序列定义，形成第一加权参数集。定义偏离加权参数集的初始步长102。对每个加权参数集值应用偏差的可选带符号加法来执行穷尽搜索。

对于每个潜在的新加权，从换能器元件数据106估计阵列远场压力响应120。根据作为远场压力响应122的离平坦的偏差范围的成本函数112来开发成本。穷尽搜索用与平坦的偏差最小的加权参数集完成。

重复该迭代优化过程110，直到具有该步长的加权参数集的穷尽搜索激励修改不能提供成本函数的改进或超过计算负荷的度量。在处理框134中向下调整步长。110中的过程继续进行穷尽搜索和步长适配的重复循环，直到进度降到所提供的阈值以下或超过计算负荷的量度。该过程终止，并且所得到的加权函数作为应用于期望波束图的加权集返回。来自该算法的输出加权函数然后可以在如前所述的声纳系统设计中实现。

图11示出了所生成的两个波束的比较曲线图的示例。利用采用13元件巴克(Barker)序列的13换能器元件半波间隔线性换能器阵列生成波束210。波束200示出了在计算和应用来自图10过程的修改的加权函数之后的经修改的序列。如图所示，由图10所示的过程生成的经修改序列在整个波束宽度上生成更均匀的响应或强度。

在一些实施方案中，所生成的加权函数旨在生成在远场中在其波束宽度上具有基本上均匀的强度或响应的波束图。

在一个实施方案中，加权函数计算算法在具有相关存储器的一个或多个处理器上执行，例如计算机或服务器或数据处理器，并且加权函数输出被用作设计或配置输入，用于实现和/或配置声纳系统电路和/或软件以投射和/或接收期望的波束图。

在另一个实施方案中，处理器可以被嵌入作为较大的声纳系统的一部分，例如以微处理器或微控制器的形式，并且可以执行图10的加权函数计算过程，以确定驱动图加权和/或接收图加权，以便在声纳系统关于实现这些加权是可动态配置的配置中应用于系统中。在其他实施方案中，图10的方法或过程可以在一个或多个中央处理器上运行，这些处理器总体上控制声纳系统的所有特征和任务，或者在声纳系统的远程系统上运行，例如它可以在中央服务器上运行，其中输出配置数据(加权)通过数据或通信链路从远程服务器传送到声纳系统。

现在将通过进一步的例子描述与优化过程有关的其他方面。

不同的阴影解决方案可以导致相同或相似的波束图。

参考图10，在加权函数计算100的初始化阶段108中输入不同的起始参数值，同时保持成本函数112相同，可以导致不同的最佳加权参数集，每个最佳加权参数集可以生成或多或少相同的波束图。作为示例，图12A示出了两个不同的加权参数集301和303，而图12B示出了分别从这些参数集得到的波束图305和307。使用阵列元件响应实验数据106计算图12A和12B中呈现的加权参数集301和303以及波束图305和307。起始参数值分别为[0 0 -1 1 1-1 -1 1 1 1 1 1 0]和[0 0 1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 0]。在该示例中，起始参数值实际上是向前和向后应用到相同阵列的相同序列。不同的输出结果是由于阵列中的缺陷和序列相对于阵列末端的不同位置。否则结果将是镜像对称的。

单个加权集生成频率相关波束图

当使用单个加权参数集时，换能器阵列的波束图是频率相关的。在波束图具有单个主波束的形状的情况下，该波束对于较低频率将变得更宽。这在图13中示出。图13示出了针对加权参数集[0 0 1 -0.5 -1 1 1 1 0 1 -1 0.5 -0.5]的不同频率处的波束图。在401处示出了频率为120kHz的波束图，在403处示出了频率为160kHz的波束图，并且在405处示出了频率为170kHz的波束图。如图所示，对于较低的频率，波束宽度变得更宽。在该示例性实施方案中，阵列波束图被优化为160kHz。

使用优化的加权参数集测量的波束图

图14示出了类似于图4C所示类型的13元件线性换能器阵列的测量波束图，通过应用使用图10的加权函数计算算法100计算的优化加权参数集。在该示例中，算法100的成本函数112被定义为实现具有80度波束宽度的波束。图14示出了波束图与频率的关系。

2.应用

在一个实施方案中，声纳系统的功能基于由上述多用途声纳系统实现的单静态和双静态操作图的组合来配置，利用多元件线性阵列换能器和处理器或控制单元，以及可选地利用发射模块和/或接收模块来实现这一点。声纳系统允许改变声纳装置的波束图，并且替换地或附加地允许在不同声纳模式之间进行改变。现在将进一步解释这两个特征。

2.1不同声纳模式

在一个实施方案中，声纳系统可以配置为允许换能器使用如前所述的方法在两个或多个期望的声纳模式之间交替。

两个或更多个声纳模式至少包括：多波束声纳模式，和/或单波束声纳模式，和/或分波束声纳模式。在一个实施方案中，多波束声纳模式允许可切换的投影仪波束宽度。在多波束声纳模式下可能的最窄波束宽度是单波束。这允许在视场和最大声纳范围之间进行折衷。

期望的声纳模式能够由与系统交互的用户选择，例如使用诸如键盘、一个或多个开关的输入设备，或者可选地使用与系统连接的触摸屏或其他用户接口来操作和/或选择期望的声纳模式。

2.2可变波束图

声纳系统可操作以使用前述方法以可变的可选择的期望波束宽度发射和/或接收声纳信号或声纳波束。单个声纳换能器具有可调节的波束宽度，以允许具有恒定发射功率的可选择范围。

波束宽度可以在从宽波束到窄波束的多个波束宽度之间调节或选择。使用声纳系统可实现的角度范围允许视场和最大声纳范围之间的折衷。

图9示出了能够生成具有不同宽度的不同发射波束范围的声纳换能器的示例性实施方案。示出了三个不同的示例性发射波束，8°窄波束或笔形波束96、80°条带波束92和120°条带波束90。可以理解，与具有较大范围的较窄波束相比，较宽波束具有较短的均匀强度范围，如图9所示。可以理解，声纳系统可以配置为生成任意数量的不同的可选波束宽度，并且波束宽度可以是任意合适的角度。利用这种多功能性，使用相同的声纳系统，可以选择长范围较窄的波束用于一些应用，并且可以选择短范围较宽的波束用于其他应用。

在声纳系统的操作中，所期望的波束宽度能够由与系统交互的用户选择，例如使用诸如键盘、一个或多个开关的输入设备，或者可替换地使用触摸屏或与系统连接的任何其他用户接口。

3.通则

此外，实施方案可由硬件、软件、固件、中间件、微码或其任何组合来实施。当在软件、固件、中间件或微代码中实现时，执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在诸如存储介质或其他存储器的机器可读介质中。处理器可以执行必要的任务。代码段可以表示过程、函数、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件包、类、或者指令、数据结构或程序语句的任何组合。通过传递和/或接收信息、数据、自变量、参数或存储器内容，代码段可耦合到另一代码段或硬件电路。可以经由包括存储器共享、消息传递、令牌传递、网络发射等在内的任何合适的方式来传递、转发或发射信息、自变量、参数数据等。

下文中，“存储介质”可表示用于存储数据的一个或一个以上装置、包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光学存储介质、快闪存储器装置和/或用于存储信息的其他机器可读介质，包括非暂态介质。术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”包括(但不限于)便携式或固定存储装置、光学存储装置、和/或能够存储、含有或携带指令和/或数据的各种其他介质。

结合本文所公开的示例而描述的各种说明性逻辑块、模块、电路、元件和/或部件可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑部件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件或其经设计以执行本文所描述的功能的任何组合来实施或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器、电路和/或状态机。处理器也可实现为计算部件的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP核心的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文所公开的示例而描述的方法或算法可直接以硬件、可由处理器执行的软件模块或两者的组合、以处理单元、编程指令或其他方向的形式来实施，且可包含在单个装置中或分布在多个装置上。软件模块可驻存于RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移除盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其他形式的存储介质中。存储介质可耦合到处理器，使得处理器可从存储介质读取信息和向存储介质写入信息。在替代方案中，存储介质可集成到处理器。

在不脱离本发明的情况下，附图中所示的一个或多个部件和功能可被重新布置和/或组合为单个部件或体现为几个部件。在不脱离本发明的情况下，还可以添加附加的元件或部件。另外，这里描述的特征可以以软件、硬件、商业方法和/或其组合来实现。

在其各个方面中，本发明可以具体化为计算机实现的过程、机器(诸如电子设备、或通用计算机或提供可在其上执行计算机程序的平台的其他设备)、由这些机器执行的过程、或制品。这样的制品可以包括计算机程序产品或数字信息产品，其中计算机可读存储介质包含存储在其上的计算机程序指令或计算机可读数据，以及创建和使用这些制品的过程和机器。

本发明的上述描述包括其优选形式。在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对其进行修改。

Claims (53)

1.一种用于发射和/或接收具有一个或多个期望波束图的声纳波束的声纳系统，其包括：

换能器，其包括换能器元件的线性阵列，所述换能器由元件驱动信号驱动以投射声纳波束，并且响应于接收的声纳信号或声波生成元件接收信号；以及

控制单元，其操作性地连接到所述换能器，所述控制单元配置为：

基于与期望波束图相关联的驱动图加权集，从波形信号生成所述元件驱动信号，以从所述换能器投射；以及

将接收图加权集应用于所述元件接收信号，所述接收图加权与由所述声纳系统接收的待检测或感测的期望波束图相关联，

其中所述驱动图加权和接收图加权的每一个包括幅度分量和极性分量。

2.如权利要求1所述的声纳系统，其中所述换能器提供平坦的辐射表面。

3.如权利要求1或权利要求2所述的声纳系统，其中所述换能器的换能器元件具有均匀的形状。

4.如权利要求1-3中任一项所述的声纳系统，其中所述元件具有任何形状并沿所述阵列的线性轴线对准。

5.如权利要求1-4中任一项所述的声纳系统，其中所述换能器包括单个线性阵列。

6.如权利要求1-4中任一项所述的声纳系统，其中所述换能器包括彼此平行对准的多个线性阵列。

7.如权利要求1-6中任一项所述的声纳系统，其中所述声纳系统配置为根据一个波束图来发射和接收声纳波束。

8.如权利要求1-6中任一项所述的声纳系统，其中所述声纳系统配置为根据多个波束图来发射和接收声纳波束，并且其中所述系统在操作期间可操作以在所述多个波束图之间进行选择。

9.如权利要求1-8中任一项所述的声纳系统，其中所述控制单元包括发射模块，所述发射模块包括生成所述波形信号的波形发生器和接收所述波形信号并直接或间接连接到所述换能器元件的变换器。

10.如权利要求9所述的声纳系统，其中所述变换器是基于所述驱动图加权配置的抽头变换器，以根据所述期望波束图生成所述元件驱动信号。

11.如权利要求10所述的声纳系统，其中所述抽头变换器应用或实现所述驱动图加权的幅度分量。

12.如权利要求9-11中任一项所述的声纳系统，其中所述声纳系统配置为用于根据多个可选波束图发射声纳波束，并且其中所述发射模块进一步包括换向器，所述换向器可操作以在应用到所述换能器的元件驱动信号的不同集之间切换，从而在用于发射的不同波束图之间切换。

13.如权利要求12所述的声纳系统，其中元件驱动信号的每个集对应于驱动图加权的不同集。

14.如权利要求1-8中任一项所述的声纳系统，其中所述控制单元包括发射模块，所述发射模块包括生成所述波形信号的波形发生器和配置为基于所述驱动图加权生成所述元件驱动信号的多信道放大器。

15.如权利要求14所述的声纳系统，其中所述多信道放大器应用或实现所述驱动图加权的幅度分量。

16.如权利要求9-15中任一项所述的声纳系统，其中所述发射模块进一步包括一个或多个放大器，以在将所述驱动信号应用到所述换能器元件之前放大所述元件驱动信号。

17.如权利要求16所述的声纳系统，其中所述发射模块包括用于每个换能器元件的放大器。

18.如权利要求9-17中任一项所述的声纳系统，其中所述换能器元件均具有指定的正端子和负端子，并且所述发射模块配置为通过以正配置或反(负)配置应用每个驱动信号来实现或应用所述驱动图加权的极性分量。

19.如权利要求1-18中任一项所述的声纳系统，其中所述驱动图加权的每一个的极性分量包括正或负的二进制选择。

20.如权利要求1-18中任一项所述的声纳系统，其中所述驱动图加权的每一个的极性分量包括在0⁰或180⁰的二进制定相之间的二进制选择。

21.如权利要求1-20中任一项所述的声纳系统，其中所述控制单元包括接收模块和单信道接收机，所述接收模块包括直接或间接连接到所述换能器元件以接收所述元件接收信号的一个或多个加权求和电路，所述单信道接收机接收所述一个或多个加权求和电路的输出。

22.如权利要求21所述的声纳系统，其中所述一个或多个加权求和电路配置为将所述接收图加权应用于所述元件接收信号，并将所述加权信号组合成所述接收机的单个输出。

23.如权利要求1-20中任一项所述的声纳系统，其中所述控制单元包括接收模块，所述接收模块包括配置为接收所述元件接收信号并应用所述接收图加权的多信道接收机。

24.如权利要求23所述的声纳系统，其中在所述多信道接收机的每个信道的输出处应用所述接收图加权，以生成加权输出信号。

25.如权利要求23或24所述的声纳系统，其中所述接收模块配置为将所述加权输出信号求和为用于信号处理的输出信号。

26.如权利要求21-25中任一项所述的声纳系统，其中所述声纳系统配置为根据多个可选波束图来接收声纳波束，并且其中所述接收模块可操作以取决于所述系统正在接收和处理哪个波束图来在接收图加权的不同集之间选择性地切换以应用于所述输入元件接收信号。

27.如权利要求26所述的声纳系统，其中所述接收模块包括多信道接收机，所述多信道接收机配置为接收所述元件接收信号并应用所述接收图加权，并且其中所述多信道接收机可操作以取决于期望哪个波束图根据接收图加权的不同集来切换应用于所述元件接收信号的衰减器或增益。

28.如权利要求27所述的声纳系统，其中所述接收图加权在所述接收元件信号数字化之后应用，使得所述加权在所述多信道接收机的软件或固件中应用并在其间切换。

29.如权利要求1-28中任一项所述的声纳系统，其中所述声纳系统进一步包括发射-接收开关或开关阵列，所述开关或开关阵列可操作以取决于所述系统以发射模式还是接受模式操作来切换发射模块和接收模块之间的换能器连接。

30.如权利要求1-29中任一项所述的声纳系统，其中所述声纳系统进一步包括连接到所述控制单元的信号处理单元，所述信号处理单元配置为在发射模式期间控制发射模块，和/或在接收模式期间控制接收模块，用于进一步处理从所述接收模块输出的声纳信号。

31.如权利要求1-30中任一项所述的声纳系统，进一步包括一个或多个显示器，用于显示由所述信号处理单元生成的声纳数据。

32.如权利要求1-31中任一项所述的声纳系统，其中所述驱动图加权和/或接收图加权是预定的或预先计算的，并由所述声纳系统实现。

33.如权利要求1-32中任一项所述的声纳系统，其中所述驱动图加权和/或接收图加权由加权函数计算算法计算。

34.如权利要求33所述的声纳系统，其中所述加权函数计算算法包括迭代优化级，以基于加权的初始集和所述期望波束图响应生成优化的驱动图加权和/或接收图加权。

35.如权利要求34所述的声纳系统，其中所述迭代优化级配置为基于成本函数和停止准则来迭代地修改所述加权的初始集，以生成针对所述期望波束图响应而优化的所述优化的驱动图加权和/或接收图加权。

36.如权利要求34或35所述的声纳系统，其中所述迭代优化级配置为优化所述加权，以实现在远场中在其波束宽度上具有基本上均匀的强度或响应的波束图。

37.如权利要求33所述的声纳系统，其中所述加权函数计算算法包括：

以加权的初始基本序列的形式生成加权的初始集；

基于所述初始基本序列估计来自所述换能器元件的远场阵列压力响应；

评估初始基本序列的成本函数，其中所述成本函数与偏离所述波束图的期望远场阵列压力响应的范围相关；

迭代地修改和重新评估经修改的基本序列，直到对成本函数没有改进以优化所述基本序列；以及

基于经优化的基本序列生成所述驱动图和/或接收图加权。

38.如权利要求37所述的声纳系统，其中所述成本函数基于期望的远场阵列压力响应来操作，所述远场阵列压力响应包括在远场中在其波束宽度上具有基本上均匀的强度或响应的波束图。

39.如权利要求34-38中任一项所述的声纳系统，其中所述初始加权集是初始基本序列。

40.如权利要求39所述的声纳系统，其中所述初始基本序列是以下中的任一个：二进制序列、巴克(barker)序列、经修改的二进制序列或经修改的巴克序列。

41.如权利要求39所述的声纳系统，其中所述初始基本序列是任何序列。

42.如权利要求39-41中任一项所述的声纳系统，其中所述基本序列是实数的有序集或序列。

43.一种用于发射具有期望波束图的声纳波束的声纳系统，其包括：

换能器，其包括换能器元件的线性阵列，所述换能器由元件驱动信号驱动以投射声纳波束；以及

控制单元，其可操作地连接到所述换能器上，所述控制单元配置为基于与期望波束图相关联的驱动图加权集，从波形信号生成所述元件驱动信号，以从所述换能器投射，并且

其中所述驱动图加权的每一个包括幅度分量和极性分量。

44.一种用于接收具有期望波束图的声纳波束的声纳系统，其包括：

换能器，其包括换能器元件的线性阵列，所述换能器响应于接收的声纳信号或声波生成元件接收信号；以及

控制单元，其可操作地连接到所述换能器，所述控制单元配置为将接收图加权集应用于所述元件接收信号，所述接收图加权与由所述声纳系统检测或感测的期望波束图相关联，

其中所述接收图加权的每一个包括幅度分量和极性分量。

45.一种从包括换能器元件的线性阵列的换能器发射具有期望波束图的声纳波束的方法，所述方法包括：

基于与期望波束图相关联的驱动图加权集，从波形信号生成元件驱动信号集，以从所述换能器投射；以及

将所生成的元件驱动信号集应用到所述换能器元件，以生成具有所述期望波束图的声纳波束，

其中所述驱动图加权的每一个包括幅度分量和极性分量。

46.一种从包括换能器元件的线性阵列的换能器接收具有期望波束图的声纳波束的方法，所述方法包括：

从所述换能器元件接收元件接收信号集；

将接收图加权集应用于所述元件接收信号以生成加权信号，所述接收图加权与所述期望波束图相关联；以及

基于所述加权元件接收信号生成一个或多个输出信号，所述加权元件接收信号表示根据所述期望波束图接收的声纳波束，

其中所述接收图加权的每一个包括幅度分量和极性分量。

47.一种在声纳系统中生成驱动图加权和/或接收图加权以应用于元件驱动信号或元件接收信号的方法，所述声纳系统使用包括换能器元件的线性阵列的换能器，所述加权用于使用所述换能器的发射和/或接收的特定期望波束图，所述方法包括：

生成或接收加权的初始基本序列；

基于所述初始基本序列估计来自所述换能器元件的远场阵列压力响应；

评估初始基本序列的成本函数，其中所述成本函数与偏离所述波束图的期望远场阵列压力响应的范围相关；

迭代地修改和重新评估经修改的基本序列，直到对成本函数没有改进以优化所述基本序列；以及

基于经优化的基本序列生成所述驱动图和/或接收图加权。

48.如权利要求47所述的方法，其中所述初始基本序列是以下中的任一个：二进制序列、巴克(barker)序列、经修改的二进制序列或经修改的巴克序列。

49.如权利要求47所述的方法，其中所述初始基本序列是任何序列。

50.如权利要求47-49中任一项所述的方法，其中所述加权的基本序列是实数的有序集或序列。

51.如权利要求47-50中任一项的方法，其中生成或接收初始基本序列包括接收代表所述初始基本序列的输入数据。

52.如权利要求47-51中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括基于所述优化的基本序列输出表示所生成的驱动图和/或接收图加权的数据。

53.如权利要求47-52中任一项所述的方法，其中所述方法由计算机实现或由一个或多个处理器实现。

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