JP2014519023A

JP2014519023A - 合成開口ソナーのためのシステムおよび方法

Info

Publication number: JP2014519023A
Application number: JP2014509517A
Authority: JP
Inventors: リチャードジェイ．リコスキー，
Original assignee: ハダル，インコーポレイテッド
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2014-08-07
Anticipated expiration: 2032-05-07
Also published as: CA3044963A1; JP6463576B2; JP2021181996A; US20120281507A1; JP7446262B2; CA2835239A1; CA3044970A1; CA2835239C; CA3044962A1; JP2019124704A; US20120281503A1; AU2012253680A1; EP3211449A1; JP2017096961A; EP3211450B1; JP6511108B2; CA3044963C; EP3211446B1; AU2012253680B2; US20120281504A1

Abstract

本明細書において説明されるシステムおよび方法は、センサ用の圧力補償ヒューズと、ホログラフィックナビゲーションと、ＳＡＳを用いた直交信号の使用と、複数のＳＡＳ伝送機を用いた過剰ピング発射と、ホログラフィックナビゲーション用の同時局所化およびマッピング（ＳＬＡＭ）と、直交信号を使用する高受信範囲のＳＡＳと、バイスタティックギャップ充填と、例えば、グレージング角補償を使用する高周波数ホログラフィックナビゲーションとを含む、合成開口ソナー（ＳＡＳ）またはレーダのためのシステムおよび方法に関する。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６１／４８３，５４９号（２０１１年５月６日出願、名称「ＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＳｙｎｔｈｅｔｉｃＡｐｅｒｔｕｒｅＳｏｎａｒ」）の優先権および利益を主張し、その内容全体が参照することにより本明細書に援用される。

（発明の分野）
本開示は、概して、合成開口ソナー（ＳＡＳ）技術に関するシステムおよび方法に関する。より具体的には、種々の実施形態では、本開示は、高周波数ホログラフィックナビゲーションと、ＳＡＳのための直交信号の使用と、複数の伝送機を用いた過剰ピング発射と、ホログラフィック同時局所化およびマッピング（ＳＬＡＭ）とを含む、合成開口ソナーまたはレーダのためのシステムおよび方法に関する。

（背景）
ほとんどの陸上ベースのアプリケーションにおいて、ナビゲーンションはしばしば、ＧＰＳ、無線標識、または先験的地図等の適所インフラストラクチャによって補助される。水中でのナビゲーションおよびマッピングは、とりわけ、広範囲水中ＧＰの同等物が存在しないことと、海底の大部分が依然として未開であることとのために困難である。

水中ナビゲーションのための現在の技法は、公的に入手可能な海底地形図を使用する。しかしながら、これらの地図は、比較的粗く、正確なナビゲーションには不適切である。他のソナーベースのナビゲーションシステムは、ソナーデータ自体を使用する配置スキームに依存する。例えば、オンザフライの音響特徴ベースのシステムは、自然発生的な目印を検出するためにソナーを使用しようとする。ナビゲーション問題の他の解決法は、未知の場所において低費用のトランスポンダを配備し、それにより、車両とトランスポンダ標識との間の範囲ベースの測定を可能にすることを含む。しかしながら、これらのトランスポンダはしばしば、相互から遠い距離にある場所において配備され、しばしば、範囲のみの情報により、部分的にのみ観察可能である。したがって、これらの技術は、小型車両経路を横断するナビゲーションには不適切である。

近年の技術は、地形の事前地図に対する水中地形のナビゲーションを可能にする。そのような技術は、地形の画像を生成するために合成開口ソナーシステムを使用し、次いで、画像は、地形と関連付けられる事前画像に対して比較される。次いで、水中車両は、地図上のそれらの場所に対して地形上でナビゲートすることが可能であり得る。しかしながら、これらの技術は、消費される電力の量、システムのサイズおよび形状を含む、複数の欠陥に悩まされている。加えて、そのようなナビゲーションシステムの性能は、伝送機の周波数が増加し、波長が減少するにつれて劇的に減少する。

したがって、特に水中用途のための改良型地図ベースのナビゲーションシステムの必要性がある。

本明細書において説明される本発明のデバイス、システム、および方法は、既存のナビゲーションシステムのこれらおよび他の欠陥に対処する。ソナー信号を生成し、以下で説明されるシステムおよび方法を使用する合成開口ソナーアレイを設計することによって、少なくとも画像生成およびナビゲーション能力において、有意な向上が達成され得る。

上述のように、車両が地形の事前地図に対して地形をナビゲートすることを可能にするセンサを適切に装備した車両において、（陸上であろうと水中であろうと）地形をナビゲートできることが望ましくあり得る。とりわけ、サイドスキャンソナーおよび合成開口ソナー（ＳＡＳ）を含む、いくつかのソナーベースの撮像およびマッピング技術が存在する。これらの技術では、地図または画像の質は、その角分解能に関係する。２つの標的をソナー画像内で分離することができる最小角度である、角分解能は、波長で測定されるアレイ長に比例する。より長いアレイまたは高い周波数（より小さい波長）が、より良い角周波数を与える。サイドスキャンソナーは、海底の異なる部分を網羅するために、受信機の固定長移動アレイを使用する。典型的なサイドスキャンソナーが、１つまたはいくつかのビームを生成し、ソナーを移動させ、反復パルスを使用することによって、画像が生成される。より長いアレイが、典型的には、車両上でより多くの電子機器、ハードウェア、および空間を必要とするので、サイドスキャンソナーシステムは、高周波数（必ずではないが、典型的には、１００ｋＨｚよりも大きい）で動作する小型アレイを含む。しかしながら、海中の音の周波数依存性吸収は、高周波数サイドスキャンソナーの範囲に制限を加える。

合成開口ソナー（ＳＡＳ）撮像システムは、サイドスキャンソナーシステムの欠陥のうちのいくつかを克服することに成功した。ＳＡＳ技術は、はるかに長いアレイを合成するために、小型の物理的アレイの前進移動を使用し、したがって、実際の物理的アレイよりもはるかに微細な進路に沿った分解能および高い信号対雑音比（ＳＮＲ）をもたらす。したがって、ＳＡＳは、サイドスキャンソナーシステムよりも低い周波数において、はるかに高い分解能を可能にする。実際に、サイドスキャンソナーよりも高い範囲を提供するために、ほとんどの現在のＳＡＳ技術は、低い周波数（１００ｋＨｚ未満）で動作する。増加した範囲に加えて、低い周波数がより高い相対帯域幅を可能にする。

サイドスキャンおよびＳＡＳ技術の両方が、地図ベースのナビゲーションシステムに使用されてきた。サイドスキャンソナー画像は、ナビゲーション情報を提供し、機雷様物体を認識するために、テンプレート照合および空間制約を使用して、インコヒーレントに処理されてきた。近年、低周波数ＳＡＳ画像のホログラフィック特性、すなわち、低周波数ＳＡＳ画像が異なる見晴らしの利く地点から同一の標的を捕捉するという観察が、コヒーレント地形認識およびナビゲーションに活用されてきた。したがって、低周波数ＳＡＳは、概して、高周波数サイドスキャンソナーよりも地図ベースのナビゲーションに良く適している。

それにもかかわらず、低周波数ＳＡＳのいくつかの不利点がある。より低い周波数は、移動ＳＡＳプラットフォームの場合、誤差および角度変動を導入し得る、より長い開口を要求する。さらに、低周波数システムは、より大型の電子機器およびより多くの電力、より小型の自律水中車両（ＡＵＶ）または無人空中車両（ＵＡＶ）上で利用可能ではない場合がある高級品を必要とする。同様に、低周波数プロジェクタはしばしば、それらの高周波数の同等物よりも重く、小型軽量システム上でのそれらの使用を妨げる。

現在の地図ベースのナビゲーション技術は、減衰増加および性能不良により、ナビゲーションのための高周波数ＳＡＳ（約１００ｋＨｚより大きい）の使用を阻止し、ひいては、陰影、閉塞、および複雑な３Ｄ緩和変化の影響に起因すると考えられた。これらの影響は、音声信号のシグネチャを変化させ、したがって、垂直方位の変化がピッチの変化にマップするという仮定を無効にすると考えられた。

しかしながら、出願者らは近年、この仮定が完全に正しいわけではなく、従来のホログラフィックナビゲーション技法が、空間的に変動する位相誤差（例えば、範囲変動位相誤差）により、より高い周波数において機能しなくなり得ることを認識している。出願者らはまた、従来のホログラフィックナビゲーション技法が、荒海または空間的に変動する音速等の困難な海洋条件で起こるこれらの種類の誤差により、より低い周波数において機能しなくなり得ることも認識している。本明細書において説明されるシステムおよび方法は、上記で説明される制限を克服し、高周波数（約１００ｋＨｚ以上）ソナー撮像ならびにコヒーレント地形認識およびナビゲーションを提供する。本明細書において説明されるシステムおよび方法はまた、低周波数（約１００ｋＨｚ未満）ソナー撮像ならびにコヒーレント地形認識およびナビゲーションも提供する。

特に、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、実開口ソナー画像またはＳＡＳ画像を、少なくとも部分的に重複する周波数を有する事前ＳＡＳ地図とコヒーレントに相関させるための技法を含む。本システムおよび方法はまた、ＳＡＳ画像を、少なくとも部分的に重複する周波数を有する事前実開口地図とコヒーレントに相関させるための技法も含む。概して、これらの技法は、画像と事前地図との間の垂直方位の差異を補償し、それにより、コヒーレント相関を可能にする。また、これらの技法は、範囲変動位相誤差を補正し、したがって、はるかに高い周波数において動作を可能にすることができる。これらのシステムおよび方法は、地形認識、ナビゲーション、および位置推定に使用されてもよい。さらに、高い精度で地図上の位置の場所を特定する本明細書において説明されるシステムおよび方法の能力を考慮すると、岩等の障害物を回避するように、標識およびセンサが慎重に設置されてもよく、または科学計器が海底に正確に設置されてもよい。

本明細書において説明されるシステムおよび方法はまた、種々の側面で、ＳＡＳのための直交信号の使用、複数の伝送機を用いた過剰ピング発射、ならびにホログラフィック同時局所化およびマッピング（ＳＬＡＭ）も含む。

より具体的には、一側面では、上記で説明されるシステムおよび方法は、水中地形を横断する水中車両のナビゲーション位置を決定するための方法を含む。本方法は、水中車両によって横断されている水中地形の一部分の高周波数合成開口画像を含む、地図であって、水中地形の一部分の合成開口ソナー（ＳＡＳ）撮像から取得される、第１の高周波数範囲内の音響データを含む地図を受信するステップを含んでもよい。本方法はさらに、第１の位置値を予測するステップであって、第１の位置値は、水中地形の地図上で水中車両の場所を表す、ステップと、第２の高周波数範囲内の音響信号を用いて水中地形の一部分に高周波の音波を当てることによって、水中地形の一部分の実開口画像を生成するステップとを含んでもよい。第２の高周波数範囲は、第１の高周波数範囲と少なくとも部分的に重複してもよい。本方法は、グレージング角不変の実開口画像を生成するようにグレージング角誤差を補償し、グレージング角不変の実開口画像内の位相誤差を補正することによって、実開口画像を修正するステップを含んでもよい。本方法は、修正された実開口画像を地図とコヒーレントに相関させるステップと、コヒーレント相関に基づいて第１の位置値を更新するステップとをさらに含んでもよい。ある実施形態では、地図は、グレージング角不変地図を生成するようにグレージング角誤差を補償することによって修正される。

ある実施形態では、第１および第２の高周波数範囲は、１００ｋＨｚよりも大きい最小周波数を含む。第２の高周波数範囲は、第１の高周波数範囲のサブセットであってもよい。第１の高周波数範囲と第２の高周波数範囲との間の重複は、グレージング角補償実像の周波数範囲が、グレージング角誤差を補償するように修正されたとき、地図の周波数範囲と少なくとも部分的に重複し得るように、潜在し得る。

ある実施形態では、実開口画像を生成するステップは、複数の実開口画像を含み、複数の実開口画像の各々は、水中地形の一部分のサブセットを表す。そのような実施形態では、複数の実開口画像の各々の中の位相誤差は、実質的に一定である。位相誤差を補正するステップは、画像を複数の下位領域に分割するステップであって、各下位領域は、実質的に一定の範囲変動位相誤差を有する、ステップと、各下位領域の範囲変動位相誤差を推定するステップと、対応する位相誤差について画像の各下位領域を補正することによって、画像を修正するステップとを含んでもよい。

ある実施形態では、実開口画像を修正するステップは、範囲変動位相誤差を推定し、推定された範囲変動位相誤差に基づいて第１の補正を適用するステップを含む。そのような実施形態では、範囲変動位相誤差を推定するステップは、位相値をアンラップするステップ、最小二乗適合を適用するステップ、および高速フーリエ変換を適用するステップのうちの少なくとも１つを含む。

本方法はさらに、第１の位置を予測するステップ、実開口画像を生成するステップ、実開口画像を修正するステップ、実開口画像をコヒーレントに相関させるステップ、および第１の位置を更新するステップを繰り返すステップを含んでもよく、第１の位置は、以前の繰り返しからの更新された第１の位置を含む。

本方法は、更新された第１の位置に基づいて、水中車両の航行方向を決定するステップをさらに含んでもよい。概して、第１の位置値は、全地球測位システム（ＧＰＳ）推定、慣性誘導システム、コンパス、および加速度計のうちの少なくとも１つを使用して計算されてもよい。水中車両は、自律水中車両（ＡＵＶ）を含んでもよく、水中地形は、海底の少なくとも一部分を含んでもよい。

別の側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、水中地形においてナビゲートするためのシステムを含んでもよい。本システムは、水中車両によって横断されている水中地形の一部分の高周波数合成開口画像を含む、地図であって、水中地形の一部分の合成開口ソナー（ＳＡＳ）撮像から取得される、第１の高周波数範囲内の音響データを含む地図を受信するための地図記憶装置を含んでもよい。本システムはまた、第２の高周波数範囲内の音響信号を用いて水中地形の一部分に高周波の音波を当てることによって、水中地形の一部分の実開口画像を生成するためのトランスデューサアレイを含んでもよく、第２の高周波数範囲は、第１の高周波数範囲と少なくとも部分的に重複する。ある実施形態では、本システムは、グレージング角誤差を補償し、グレージング角不変画像を生成することによって、実開口画像を修正するためのグレージング角補償器と、位相誤差を補正するようにグレージング角不変画像を修正するための位相誤差補正器と、修正された実開口画像を地図とコヒーレントに相関させるための信号相関器とを含んでもよい。本システムはまた、第１の位置値を予測するステップであって、第１の位置値は、水中地形の地図上で水中車両の場所を表す、ステップと、コヒーレント相関に基づいて第１の位置値を更新するステップとのための中央制御ユニットを含んでもよい。

別の側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、水中地形を横断する水中車両のナビゲーション位置を決定するための方法を含む。本方法は、水中車両によって横断されている水中地形の一部分の合成開口画像を含む、地図を受信するステップを含んでもよい。地図は、水中地形の一部分の合成開口ソナー（ＳＡＳ）撮像から取得される、第１の周波数範囲内の音響データを含む。本方法は、第１の位置値を予測するステップをさらに含んでもよい。第１の位置値は、水中地形の地図上で水中車両の場所を表してもよい。本方法は、第２の周波数範囲内の音響信号を用いて水中地形の一部分に高周波の音波を当てることによって、水中地形の一部分の合成開口画像を生成するステップを含んでもよい。第２の周波数範囲は、第１の周波数範囲と少なくとも部分的に重複してもよい。ある実施形態では、本方法は、グレージング角不変の合成開口画像を生成するようにグレージング角誤差を補償し、グレージング角不変の合成開口画像内の位相誤差を補正することによって、合成開口画像を修正するステップと、修正された合成開口画像を地図とコヒーレントに相関させるステップと、コヒーレント相関に基づいて第１の位置値を更新するステップとを含む。

さらに別の側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、水中地形を横断する水中車両のナビゲーション位置を決定するための方法を含む。本方法は、水中車両によって横断されている水中地形の一部分の合成開口画像を含む、地図を受信するステップを含んでもよい。地図は、水中地形の一部分の合成開口ソナー（ＳＡＳ）撮像から取得される、第１の周波数範囲内の音響データを含んでもよい。本方法は、第１の位置値を予測するステップであって、第１の位置値は、水中地形の地図上で水中車両の場所を表す、ステップと、第２の周波数範囲内の音響信号を用いて水中地形の一部分に高周波の音波を当てることによって、水中地形の一部分の実開口画像を生成するステップであって、第２の周波数範囲は、第１の周波数範囲と少なくとも部分的に重複する、ステップとを含む。ある実施形態では、本方法は、グレージング角不変の実開口画像を生成するようにグレージング角誤差を補償し、グレージング角不変の実開口画像内の位相誤差を補正することによって、実開口画像を修正するステップと、修正された実開口画像を地図とコヒーレントに相関させるステップと、コヒーレント相関に基づいて第１の位置値を更新するステップとを含む。ある実施形態では、第１の周波数範囲および第２の周波数範囲の少なくとも１つは、約１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである。第１の周波数範囲および第２の周波数範囲は、約８０ｋＨｚ未満であり得る。

本明細書において説明されるシステムおよび方法は、ソナーおよびレーダシステムの両方のために所望に応じて適合されてもよい。例えば、ソナートランスデューサが、好適なレーダトランスデューサと置換されてもよく、１つ以上の構成要素が、ソナーおよびレーダ体制で動作するように、修正され、本明細書において説明されるシステムに追加され、またはそこから除去されてもよい。いくつかの実施形態では、本システムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、ソナーおよびレーダデバイスの両方として動作するように構成されてもよい。ある実施形態では、本システムおよび方法がソナー撮像のために構成されるとき、周波数は、１００ｋＨｚから約２００ｋＨｚの範囲内であってもよい。ある実施形態では、本システムおよび方法がレーダ撮像のために構成されるとき、周波数は、１ＧＨｚから約３０ＧＨｚの範囲内であってもよい。概して、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の周波数範囲に適用されてもよい。

ある側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、合成開口ソナー画像を生成するための方法を含む。本方法は、第１の軸に沿って配列される、少なくとも１つの伝送機要素および複数の受信機要素を有する合成開口ソナー（ＳＡＳ）アレイを提供するステップを含んでもよい。伝送機要素および受信機要素の各々は、第１の幅を有してもよく、伝送機要素は、複数の直交音響信号を有する第１の組の信号を生成するように構成されてもよい。本方法は、移動中の伝送機要素と受信機要素との間の有効距離を表す、ＳＡＳアレイの有効間隔を計算するステップと、同時に、第１の軸に沿ってＳＡＳアレイを移動させ、伝送機要素を使用して、第１の組の信号から第１の音響信号を生成するステップと、有効間隔が第１の組の信号の中の音響信号の数によって除算されたものとして閾値距離を計算するステップとを含んでもよい。ある実施形態では、ＳＡＳアレイが閾値距離を移動したという決定に応答して、本方法は、伝送機要素を使用して、第１の組の信号から第２の音響信号を生成するステップを含んでもよく、第２の音響信号は、第１の音響信号に直交している。有効間隔は、第１の幅の約半分であってもよい。

ある実施形態では、第１の組の信号の中の１つ以上の音響信号は、１００ｋＨｚよりも大きい周波数を有する。第１の組の信号の中の１つ以上の音響信号は、約１００Ｈｚから約１００ｋＨｚの範囲における周波数を有してもよい。

ＳＡＳアレイは、固定速度で移動させられてもよく、ＳＡＳアレイが閾値距離を移動したか否かの決定は、時間遅延に基づく。ある実施形態では、第１の期間中に、ＳＡＳアレイは、第１の音響信号のみを伝送し、第２の期間中に、ＳＡＳアレイは、第１の音響信号および第２の音響信号の両方を伝送し、第３の期間中に、ＳＡＳアレイは、第２の音響信号のみを伝送する。

ある実施形態では、第１の音響信号の持続時間は、第２の音響信号の持続時間に実質的に類似する。第１の組の信号の中の１つ以上の信号は、海中測定のために生成される短パルス音を含んでもよい。

ＳＡＳアレイは、水中地形を撮像するための水中車両または水面車両のうちの少なくとも１つに設置されてもよい。ＳＡＳアレイは、陸上地形を撮像するための空中車両または陸上車両のうちの少なくとも１つに設置されてもよい。

別の側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、合成開口ソナー（ＳＡＳ）画像を生成するための方法を含む。本方法は、第１の軸に沿って配列される、少なくとも１つの伝送機要素および複数の受信機要素を有する、合成開口ソナー（ＳＡＳ）アレイを提供するステップを含んでもよく、伝送機要素および受信機要素の各々は、第１の幅を有する。本方法は、同時に、第１の軸に沿ってソナーアレイを移動させ、伝送機要素を使用して、第１の持続時間を有する間隔で第１の組の音響信号、および第２の持続時間を有する間隔で第２の組の音響信号を生成するステップをさらに含んでもよい。ある実施形態では、ソナーアレイは、移動中の伝送機要素と受信機要素との間の有効距離を表す、第１の有効間隔を含む。第１の組の音響信号は、第２の組の音響信号に対して直角であり得、第１の持続時間および第２の持続時間は、第１の有効間隔が第１の幅の２分の１未満であるように選択されてもよい。

ある実施形態では、第１の持続時間および第２の持続時間は、第１の有効間隔が第１の幅の約４分の１であるように選択される。本方法は、第１の数の音響信号を生成するステップをさらに含んでもよく、第１の持続時間および第２の持続時間は、第１の幅が、第１の有効間隔が第１の数の音響信号によって除算されたものの約２分の１であるように、選択される。

さらに別の側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、合成開口ソナー（ＳＡＳ）画像を生成するためのシステムを含む。本システムは、第１の軸に沿って配列される、少なくとも１つの伝送機要素および複数の受信機要素を有する、合成開口ソナー（ＳＡＳ）を含んでもよく、伝送機要素および受信機要素の各々は、第１の幅を有し、伝送機要素は、複数の直交音響信号を有する第１の組の信号を生成するように構成される。本システムはまた、移動中の伝送機要素と受信機要素との間の有効距離を表す、ＳＡＳアレイの有効間隔を計算するステップと、同時に、第１の軸に沿ってＳＡＳアレイを移動させ、伝送機要素を使用して、第１の組の信号から第１の音響信号を生成するステップと、有効間隔が第１の組の信号の中の音響信号の数によって除算されたものとして、閾値距離を計算するステップとのために構成される、プロセッサを含んでもよい。ある実施形態では、ＳＡＳアレイが閾値距離を移動したという決定に応答して、プロセッサは、伝送機要素を使用して、第１の組の信号から第２の音響信号を生成するために構成されてもよく、第２の音響信号は、第１の音響信号に直交している。

本明細書において説明されるシステムおよび方法は、ソナーおよびレーダシステムの両方のために所望に応じて適合されてもよい。例えば、ソナートランスデューサが、好適なレーダトランスデューサと置換されてもよく、１つ以上の構成要素が、ソナーおよびレーダ体制で動作するように、修正され、本明細書において説明されるシステムに追加され、またはそこから除去されてもよい。いくつかの実施形態では、本システムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、ソナーおよびレーダデバイスの両方として動作するように構成されてもよい。ある実施形態では、本システムおよび方法がソナー撮像のために構成されるとき、周波数は、１０ｋＨｚから約２００ｋＨｚの範囲内の高周波数および低周波数両方の範囲内であってもよい。ある実施形態では、本システムおよび方法がレーダ撮像のために構成されるとき、周波数は、１００ＭＨｚから約３０ＧＨｚの範囲内であってもよい。概して、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の周波数範囲に適用されてもよい。

ある側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、合成開口ソナー（ＳＡＳ）信号を生成するための方法を含む。本方法は、第１の軸に沿って配列される複数の受信機要素を備え、第１の端部および第２の端部を含む、受信機アレイを有する、ソナーアレイを提供するステップを含んでもよい。ソナーアレイは、第１の伝送機要素と、第２の伝送機要素とを含んでもよい。第１の伝送機要素、第２の伝送機要素、および複数の受信機要素は各々、第１の幅を有してもよい。本方法は、第２の伝送機要素を使用して、第１の位置で第１の音響信号を生成するステップと、受信機アレイの第１の端部から第２の端部までの方向で、第１の軸に沿ってソナーアレイを第２の位置まで移動させるステップとを含んでもよい。第２の位置は、第１の位置から第１の幅の約２分の１の距離にあってもよい。本方法は、第２の音響信号が第１の音響信号に直交しているように、第１の伝送機要素を使用して、第２の位置で第２の音響信号を生成するステップを含んでもよい。

ある実施形態では、ソナーアレイは、ソナーアレイの長さが、車両の長さよりも小さいように車両に搭載され、第２の位置は、車両の長さ未満だけ第１の位置からの第１の幅の２分の１からオフセットされる。他の実施形態では、ソナーアレイは、ソナーアレイの長さが車両の長さよりも大きいように、車両によってけん引され、第２の位置は、ソナーアレイの長さ未満だけ、第１の位置からの第１の幅の２分の１からオフセットされる。概して、第２の位置は、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の好適な場所に位置してもよい。

ソナーアレイはさらに、付加的な伝送機を備えてもよく、本方法は、第３の位置で第３の音響信号を生成するステップをさらに含んでもよい。ある実施形態では、第１の伝送機要素は、受信機アレイの第１の端部に近接して設置され、第２の伝送機要素は、受信機アレイの第２の端部に近接して設置される。

ある実施形態では、第１および第２の音響信号のうちの少なくとも１つは、約１００Ｈｚから約１００ｋＨｚの範囲における周波数を有する。第１および第２の音響信号のうちの少なくとも１つは、約１００ｋＨｚよりも大きい範囲における周波数を有してもよい。

ソナーアレイは、水中地形を撮像するための水中車両または水面車両のうちの少なくとも１つに設置されてもよい。ある実施形態では、ソナーアレイは、陸上地形を撮像するための空中車両または陸上車両のうちの少なくとも１つに設置されてもよい。

別の側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、合成開口ソナー（ＳＡＳ）信号を生成するためのシステムを含む。本システムは、第１の軸に沿って配列される複数の受信機要素を備え、第１の端部および第２の端部を含む、受信機アレイと、受信機アレイの第１の端部に近接して設置される、第１の伝送機要素と、受信機アレイの第２の端部に近接して設置される、第２の伝送機要素とを有する、ソナーアレイを含んでもよい。第１の伝送機要素、第２の伝送機要素、および複数の受信機要素は各々、第１の幅を有してもよい。本システムは、第２の伝送機要素を使用して、第１の位置で第１の音響信号を生成するステップと、受信機アレイの第１の端部から第２の端部までの方向で、第１の軸に沿ってソナーアレイを第２の位置まで移動させるステップであって、第２の位置は、第１の位置から第１の幅の約２分の１の距離にある、ステップと、第１の伝送機要素を使用して、第２の位置で第２の音響信号を生成するステップとのためのプロセッサを含んでもよい。第２の音響信号は、第１の音響信号に対して直角であり得る。ある実施形態では、１つ以上の伝送機は、１つ以上の付加的な音響信号を生成するためのものである。

本明細書において説明されるシステムおよび方法は、ソナーおよびレーダシステムの両方のために、したがって、合成開口ソナー（ＳＡＳ）および合成開口レーダ（ＳＡＲ）システムの両方のために、所望に応じて適合されてもよい。例えば、ソナートランスデューサが、好適なレーダトランスデューサと置換されてもよく、１つ以上の構成要素が、ソナーおよびレーダ体制で動作するように、修正され、本明細書において説明されるシステムに追加され、またはそこから除去されてもよい。いくつかの実施形態では、本システムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、ソナーおよびレーダデバイスの両方として動作するように構成されてもよい。ある実施形態では、本システムおよび方法がソナー撮像のために構成されるとき、周波数は、１０ｋＨｚから約２００ｋＨｚの範囲内の高周波数および低周波数両方の範囲内であってもよい。ある実施形態では、本システムおよび方法がレーダ撮像のために構成されるとき、周波数は、１００ＭＨｚから約３０ＧＨｚの範囲内であってもよい。概して、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の周波数範囲に適用されてもよい。

ある側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、地形を横断する車両のナビゲーション位置を決定するための方法を含む。本方法は、車両によって横断されている地形の一部分の第１の実開口画像を受信するステップを含んでもよい。実開口画像は、地形の一部分の事前撮像から取得される、第１の周波数範囲内の音響データを含んでもよい。本方法は、第１の実開口画像が取得された位置を表す、第１の位置推定値を受信するステップと、車両の現在の位置の予備推定値を表す、第２の位置推定値を受信するステップと、第１の位置推定値および第２の位置推定値を接続する、相関軸を決定するステップとを含む。本方法は、第２の実開口画像を第１の実開口画像とコヒーレントに相関させるステップと、コヒーレント相関に基づいて第２の位置推定値を更新するステップとをさらに含んでもよい。第２の実開口画像を生成するステップは、反射音響信号を受信し、相関軸に沿って反射音響信号を進めるステップを含んでもよい。

ある実施形態では、第１の位置推定値は、全地球測位システム（ＧＰＳ）推定、慣性誘導システム、コンパス、および加速度計のうちの少なくとも１つを使用して計算される。第１の実開口画像は、第１の位置で第１の車両によって生成されてもよく、第２の実開口画像は、第２の位置で第１の車両によって生成されてもよい。代替として、第１の実開口画像は、第１の位置で第１の車両によって生成されてもよく、第２の実開口画像は、第２の位置で第２の車両によって生成されてもよい。

ある実施形態では、第１および第２の周波数範囲は、１００ｋＨｚよりも大きい最小周波数を含む。概して、第１および第２の周波数範囲は、約１００Ｈｚから約１００ｋＨｚであってもよい。

ある実施形態では、地形は、水中地形を含んでもよい。車両は、水中地形を横断するための水中車両または水面車両のうちの少なくとも１つを含んでもよい。車両は、陸上または地球外地形を横断するための空中車両または陸上車両のうちの少なくとも１つを含む。代替として、車両は、屋内地形を横断するためのロボット車両を含んでもよい。

別の側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、地形を横断する車両のナビゲーション位置を決定するためのシステムを含む。本システムは、車両によって横断されている地形の一部分の第１の実開口画像であって、地形の一部分の事前撮像から取得される、第１の周波数範囲内の音響データを含む実開口画像を受信するための地図記憶装置を含んでもよい。本システムは、相関軸に沿って方向付けられる第２の周波数範囲内の音響信号を用いて地形の一部分に高周波の音波を当てることによって、地形の一部分の第２の実開口画像を生成するためのトランスデューサアレイを含んでもよい。第２の周波数範囲は、第１の周波数範囲と少なくとも部分的に重複してもよい。本システムは、第２の実開口画像を第１の実開口画像とコヒーレントに相関させるための信号相関器と、第１の実開口画像が取得された位置を表す第１の位置推定値を受信し、車両の現在の位置の予備推定値を表す第２の位置推定値を受信するための中央制御ユニットをさらに含んでもよい。中央制御ユニットは、第１の位置推定値と第２の位置推定値とを接続する相関軸を決定し、コヒーレント相関に基づいて第２の位置推定値を更新するために構成されてもよい。

別の側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、地形を横断する車両のナビゲーション位置を決定するための方法を含む。本方法は、車両によって横断されている地形の一部分のソナー画像であって、地形の一部分の事前撮像から取得される、第１の周波数範囲内の音響データを含むソナー画像を受信するステップを含んでもよい。本方法は、第１のソナー画像が取得された位置を表す第１の位置推定値を受信するステップと、車両の現在の位置の予備推定値を表す第２の位置推定値を受信するステップと、第１の位置推定値と第２の位置推定値とを接続する相関軸を決定するステップとをさらに含んでもよい。本方法は、相関軸に沿って方向付けられる第２の周波数範囲内の音響信号を用いて地形の一部分に高周波の音波を当てることによって、地形の一部分の合成開口画像を生成するステップを含んでもよく、第２の周波数範囲は、第１の周波数範囲と少なくとも部分的に重複する。本方法は、合成開口画像をソナー画像とコヒーレントに相関させるステップと、コヒーレント相関に基づいて第２の位置推定値を更新するステップとを含んでもよい。ある実施形態では、方法は、第２の位置に対応する第２の音速推定値を受信し、コヒーレント相関に基づいて第２の音速推定値を更新するステップを含む。

ある側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、水中地形を調査するためのシステムを含む。本システムは、１つ以上の車両に搭載された第１の数の複数の音響伝送機要素と、１つ以上の車両に搭載された第２の数の複数の音響受信機要素とを含んでもよい。車両の各々は、水中地形の一部分の合成開口画像を有する、プロセッサを含んでもよい。合成開口画像は、水中地形の一部分の事前合成開口ソナー撮像から取得される音響データを含んでもよい。ある実施形態では、複数の車両は、第３の数の位相中心を有する、平面合成開口ソナーアレイを形成するように配列される。そのような実施形態では、第３の数の位相中心は、第２の数を乗算した第１の数に等しい。そのようなシステムの中の伝送機は、直交音響信号を生成するように構成されてもよい。

ある実施形態では、車両は、水中車両および／または水面車両を含む。１つ以上の車両は、水中地形の一部分の事前合成開口画像に対するマッピングに基づいて配置されてもよい。

伝送機要素および受信機要素は、約１Ｈｚから約１０ｋＨｚの範囲における周波数において動作してもよい。ある実施形態では、伝送機要素および受信機要素は、約１０ｋＨｚよりも大きい範囲における周波数において動作する。ある実施形態では、伝送機要素および受信機要素は、約１０Ｈｚから約１ｋＨｚの範囲における周波数において動作する。

プロセッサは、水中表面の性質のうちの少なくとも１つを決定するためにさらに構成されてもよい。水中表面は、海底、水面下炭化水素鉱床、および水面下マグマ溜りのうちの少なくとも１つを含んでもよい。

本明細書において説明されるシステムおよび方法は、ソナーおよびレーダシステムの両方のために、したがって、合成開口ソナー（ＳＡＳ）および合成開口レーダ（ＳＡＲ）システムの両方のために、所望に応じて適合されてもよい。例えば、ソナートランスデューサが、好適なレーダトランスデューサと置換されてもよく、１つ以上の構成要素が、ソナーおよびレーダ体制で動作するように修正され、本明細書において説明されるシステムに追加され、またはそこから除去されてもよい。いくつかの実施形態では、本システムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、ソナーおよびレーダデバイスの両方として動作するように構成されてもよい。ある実施形態では、本システムおよび方法がソナー撮像のために構成されるとき、周波数は、１０Ｈｚから約１ｋＨｚまでの範囲内の高周波数および低周波数両方の範囲内であってもよい。ある実施形態では、本システムおよび方法がレーダ撮像のために構成されるとき、周波数は、１ＭＨｚから約１００ＭＨｚまでの範囲内であってもよい。概して、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の周波数範囲に適用されてもよい。

ある側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、合成開口ソナー（ＳＡＳ）信号を生成するための方法を含む。本方法は、第１の速度でソナーアレイを移動させるステップを含んでもよく、ソナーアレイは、少なくとも３つの伝送機および複数の受信機を有し、アレイは、第１の長さを有し、第１の伝送機は、第１の長さに沿って長さの第１の小部分に配置され、第２の伝送機は、第１の長さに沿って長さの第２の小部分に配置され、第３の伝送機は、第１の長さに沿って長さの第３の小部分に配置され、移動の方向は、第３の伝送機から第１の伝送機に向かった方向に沿っている。本方法は、第１および第２の伝送機を使用して、第１のピングを生成するステップと、第１および第３の伝送機を使用して、第２のピングを生成するステップと、第２および第３の伝送機を使用して、第３のピングを生成するステップとをさらに含んでもよい。ある実施形態では、ソナーアレイが、第１および第２のピングの間、および第２および第３のピングの間、および第３および第１のピングの間で移動するためにかかる時間は、第１の長さが第１の速度によって除算されたものの半分に等しい。ある実施形態では、複数の伝送機は、４つ以上の伝送機を含む。

ある実施形態では、第１のピングを生成するステップは、第１の伝送機を使用して、第１の位置であって、第１の長さに第１の小部分が加算されたものの整数倍数である第１の位置で、第１の音響信号を生成するステップと、第２の伝送機を使用して、第２の位置で第２の音響信号を生成するステップであって、第２の位置は、第１の長さに第２の小部分が加算されたものの整数倍数である、ステップとを含む。ある実施形態では、第２のピングを生成するステップは、第１の伝送機を使用して、第３の位置であって、第１の長さに第１の小部分が加算されたものの整数倍数である、第３の位置で、第３の音響信号を生成するステップと、第３の伝送機を使用して、第４の位置で第４の音響信号を生成するステップであって、第４の位置は、第１の長さに第３の小部分が加算されたものの整数倍数である、ステップとを含む。ある実施形態では、第３のピングを生成するステップは、第２の伝送機を使用して、第５の位置で第５の音響信号を生成するステップであって、第５の位置は、第１の長さに第２の小部分が加算されたものの整数倍数である、ステップと、第３の伝送機を使用して、第６の位置で第６の音響信号を生成するステップであって、第６の位置は、第１の長さに第３の小部分が加算されたものの整数倍数である、ステップとを含む。

第１、第２、および第３のピングのうちの少なくとも１つは、約１ｋＨｚから約１００ｋＨｚの範囲における周波数を有してもよい。ある実施形態では、第１、第２、および第３のピングのうちの少なくとも１つは、約１００ｋＨｚよりも大きい範囲における周波数を有する。概して、ソナーアレイは、水中地形を撮像するための水中車両または水面車両のうちの少なくとも１つに設置されてもよい。ソナーアレイはまた、陸上地形を撮像するための空中車両または陸上車両のうちの少なくとも１つに設置されてもよい。

ここで、類似参照指定が、異なる図の全体を通して同一の部品を指す、本発明の先述および他の目的、特徴、利点、および例示的実施形態を説明する。これらの図面は、必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに、実施形態の原理を例示することが重視される。
図１は、本開示の例示的実施形態による、ソナーマッピングおよびナビゲーションシステムを描写するブロック図である。図２は、本開示で説明されるシステムおよび方法の少なくとも一部分を実装するための例示的なコンピュータシステムのブロック図である。図３は、本開示の例示的実施形態による、ソナーシステムの中のトランスデューサアレイを描写する。図４は、本開示の例示的実施形態による、合成開口ソナー（ＳＡＳ）システムの中のトランスデューサアレイを描写する。図５Ａ−５Ｂは、本開示の例示的実施形態による、例示的な高周波数ソナーナビゲーションシステムを使用して地形をナビゲートするためのプロセスを描写する。図５Ａ−５Ｂは、本開示の例示的実施形態による、例示的な高周波数ソナーナビゲーションシステムを使用して地形をナビゲートするためのプロセスを描写する。図６Ａ−６Ｂは、本開示の別の例示的実施形態による、例示的な高周波数ソナーナビゲーションシステムを使用して地形をナビゲートするためのプロセスを描写する。図６Ａ−６Ｂは、本開示の別の例示的実施形態による、例示的な高周波数ソナーナビゲーションシステムを使用して地形をナビゲートするためのプロセスを描写する。図７は、本開示の別の例示的実施形態による、高周波数ソナーシステムにおける範囲変動位相誤差を補正するためのプロセスを描写する。図８は、本開示の例示的実施形態による、画像を生成するように合成開口ソナー（ＳＡＳ）システムで複数の直交信号を使用するためのプロセスを描写する。図９Ａおよび９Ｂは、本開示の例示的実施形態による、図８で描写されるプロセスの実施形態と関連して使用されるトランスデューサアレイを描写する。図１０は、本開示の例示的実施形態による、複数の伝送機を有する合成開口ソナー（ＳＡＳ）システムからパルスを伝送するためのプロセスを描写する。図１１Ａ−Ｃは、本開示の例示的実施形態による、図１０で描写されるプロセスの実施形態と関連して使用されるトランスデューサアレイを描写する。図１２は、本開示の例示的実施形態による、実開口ソナー画像を使用した同時局所化およびマッピング（ＳＬＡＭ）のためのプロセスを描写する。図１３は、本開示の例示的実施形態による、圧力および物質補償のためのデバイスを描写する。

本明細書において説明されるシステムおよび方法の全体的な理解を提供するために、ここで、地形の地図を描き、ナビゲートするためのシステムおよび方法を含む、ある例示的実施形態を説明する。しかしながら、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、他の好適な用途のために適合および修正されてもよく、そのような他の追加および修正は、その範囲から逸脱しないであろうことが、当業者によって理解されるであろう。

本明細書において説明されるシステムおよび方法は、高周波数（「ＨＦ」）ホログラフィックナビゲーション、すなわち、約１００ｋＨｚ以上の周波数において捕捉される合成開口ソナー（ＳＡＳ）画像の多面ホログラフィック特性を使用する、地図ベースのナビゲーションを含む。本明細書において説明されるシステムおよび方法はまた、約１００ｋＨｚ未満の周波数における低周波数（「ＬＦ」）ホログラフィックナビゲーションをも含む。特に、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、周波数および方位に重複があるとき、現在捕捉されている画像と事前地図との間のコヒーレント相関を可能にする。そのようなコヒーレント相関は、位置および／または航行方向ベースのナビゲーションを可能にする。高周波数において、発明者らは、画像が画像および／または相関ゆがみを引き起こす空間的に変動する位相誤差（例えば、範囲変動位相誤差）を被ることを認識している。そのような位相誤差は、高度変動があるときに、低い周波数においてさえも存在し得る。ある実施形態では、位相誤差が帯域幅よりもはるかに小さい場合、画像は歪められ得ないが、相関させること（したがってナビゲーション）は困難であり得る。本明細書において説明されるシステムおよび方法は、画像を、位相が比較的一定であるより小さい領域に切り分け、画像の複数部分を補正するためにこれらの位相測定値を使用するように構成される位相誤差補正器を導入することによって、従来技術の欠陥を克服する。

本明細書において説明されるシステムおよび方法は、発明者らが認識している、合成開口画像のホログラフィック特性の種々の他の側面を利用する。例えば、音響信号のその２次元シェーディングおよびシャドウイングに基づいて、形状の３次元モデルを決定するためのシステムおよび方法が、本明細書において説明される。本明細書において説明されるシステムおよび方法は、ＨＦホログラフィックナビゲーションを使用して、（津波センサ等の）センサおよびナビゲーション標識を高精度に配置するための方法を含む。本明細書において説明されるシステムおよび方法は、ＨＦホログラフィックナビゲーションを使用して取得される高精度位置測定に基づいて、自律水中車両（ＡＵＶ）を使用して水柱を監視およびモデル化するための方法を含む。ある実施形態では、本システムおよび方法は、より高い分解能で全平面合成開口ソナーを形成するための、直交伝送機と複数の受信機との組み合わせを有する地震探査システムを含む。

他の側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、複数の伝送機をアレイに追加し、直交ピング発射シーケンスを生成することを含む。特に、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、低格子サイドローブを有するＳＡＳ、複数の伝送機を使用する高い被覆率を有するＳＡＳ、およびＳＡＳシステムの範囲を増加させるための過剰ピング発射シーケンスを含む。本明細書において説明されるシステムおよび方法は、地形に対してエミッタまたは受信機を高精度に局所化するためのバイスタティックおよびモノスタティックホログラフィックギャップ充填技法をさらに含む。なおも他の側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、重複周波数の事前実開口画像とコヒーレントに相関させせることができるように、実開口画像をビーム形成することを伴う同時局所化およびマッピング（ＳＬＡＭ）技法を含む。本明細書において説明される、これらおよび他のシステムおよび方法の各々は、相互から独立して、または１つ以上の任意の他のシステムおよび方法の任意の好適な組み合わせにおいて使用されてもよい。本明細書において説明されるシステムおよび方法を参照して説明される修正および変形例は、本開示の範囲から逸脱することなく、本明細書において説明される任意の他のシステムおよび方法に適用されてもよい。

以下の節では、例示的なマッピングおよびナビゲーションシステム、ならびにホログラフィックナビゲーションおよびマッピングを実行するための例示的なコンピュータシステムがそれぞれ、図１−４を参照して説明される。ホログラフィックナビゲーションおよびマッピングシステムの構成要素およびプロセスのさらなる例示的実施形態は、地図を使用して、地形、例えば、水中地形をナビゲートするためのプロセスを含み、図５および６を参照して説明される。高周波数ホログラフィックナビゲーションを可能にするために、図７は、より高い周波数における従来のホログラフィックナビゲーション、コヒーレント相関、および変化検出システムの故障の理由であると発明者らによって認識された範囲変動位相誤差を補正するためのプロセスを説明する。図８−９Ｂは、低格子サイドグローブを有するＳＡＳ画像を生成するためのプロセスおよび構成要素を描写し、図１０−１１Ｂは、高被覆率ＳＡＳ信号を生成するためのプロセスおよび構成要素を描写する。最終的に、図１２は、地形をナビゲートするためのホログラフィックＳＬＡＭプロセスを説明する。

より具体的には、図１は、本開示の例示的実施形態による、ソナーマッピングおよびナビゲーションシステム１００を描写するブロック図である。システム１００は、ソナー信号を送信および受信するためのソナーユニット１１０と、受信（または反射）信号を調節するためのプリプロセッサ１２０と、パルス圧縮およびビーム形成を行うための照合フィルタ１３０とを含む。システム１００は、高周波数（約１００ｋＨｚよりも大きい）ソナー信号を使用してナビゲートすることを可能にするように構成される。そのようなＨＦナビゲーションを可能にするために、システム１００は、グレージング角誤差を補償するため、および位相誤差を補正するための信号補正器１４０を含む。システム１００はまた、受信された画像を地図とコヒーレントに相関させるための信号検出器１５０も含む。ある実施形態では、本システムは、自律水中車両（ＡＵＶ）または無人空中車両（ＵＡＶ）等の地形上をナビゲートする車両に搭載されてもよい。そのような実施形態では、システム１００は、機内ナビゲーションコントローラ１７０と、モータコントローラ１８０と、センサコントローラ１９０とを含む。ナビゲーションコントローラ１７０は、ＧＰＳ／ＲＦリンク１７２（利用可能であるとき）、加速度計１７４、ジャイロスコープ、およびコンパス１７６からナビゲーションパラメータを受信するように構成されてもよい。モータコントローラ１８０は、車両を操縦するための複数のモータ１８２、１８４、および１８６を制御するように構成されてもよい。センサコントローラ１９０は、バッテリモニタ１７２、温度センサ１９４、および圧力センサ１９６から測定値を受信してもよい。システム１００は、ソナー測定に基づくナビゲーションパラメータならびに他のナビゲーションおよびセンサパラメータを決定するため、および車両の移動を制御するためにハブとしての機能を果たし得る中央制御ユニット（ＣＣＵ）１６０をさらに含む。

水面または水中車両との関連で、ＣＣＵ１６０は、位置（緯度および経度）、（任意の方向への）速度、方角、航行方向、加速度、および高度等のナビゲーションパラメータを決定してもよい。ＣＣＵ１６０は、進路に沿った方向（前方および後方）、進路を横断する方向（左舷および右舷）、および垂直方向（上および下）に沿った移動を制御するために、これらのナビゲーションパラメータを使用してもよい。ＣＣＵ１６０は、車両の向きを変える、車両を転がす、または別様に回転させるように移動を制御するために、これらのナビゲーションパラメータを使用してもよい。水中動作中に、ＡＵＶ等の車両は、ソナーユニット１１０において高周波数実開口ソナー画像または信号を受信してもよく、次いで、画像または信号は、地形の合成開口ソナー（ＳＡＳ）地図に対して処理され、フィルタにかけられ、補正され、かつ相関させられてもよい。相関を使用して、次いで、ＣＣＵは、地形をナビゲートすることを支援するように、高精度および他のナビゲーションパラメータを用いて、ＡＵＶの位置を決定してもよい。精度は、ＳＡＳ地図および／または獲得されたソナー画像の信号および空間帯域幅によって決定されてもよい。ある実施形態では、少なくとも、正方画素を伴う事前ＳＡＳ地図とのソナー画像のほぼ完璧な重複があると仮定し、かつ類似要素サイズおよび帯域幅を有する単一のチャネルを用いて再取得が行われたと仮定し、かつグレージング角補償の損失がほとんどまたは全くないと仮定すると、エンベロープは、要素サイズの約２分の１になるであろう。その結果として、ある実施形態では、エンベロープのピークは、波長の約１／１００までを含んで、高精度で識別されてもよい。例えば、分解能は、範囲方向において、２．５ｃｍ未満、または１ｃｍ未満、あるいは約０．１ｍｍ未満および約０．１ｍｍであってもよい。

概して、長波長（低周波数）センサを使用する地形認識は、物体シグネチャの方位依存性により困難であり得る。ソナーまたはレーダ画像は、ソナーおよび物体の方位の両方によってに変化し、インコヒーレント画像相関を極端に困難にするスペックルによって支配され得る。コヒーレントに、非重複周波数帯がある信号を有する任意の相関演算は、ゼロという解答をもたらすであろう（相関が周波数ドメイン内の乗算であるため）。２つのソナー画像が相関するために、それらの空間周波数が重複することは十分ではなく、２つの画像内の同一の点が重複周波数において表されなければならない。一般的な実開口ソナーについては、元の観察位置および配向を再訪し、同一の周波数を使用することによって、典型的には、複雑な場面に対する同一のシグネチャのみを再観察することができる。その結果として、一般に、２つの複雑なソナーまたはレーダ画像をコヒーレントに相関させることは、測度ゼロ発生であり、予期される相互相関がゼロに接近していることを証明することができる。したがって、図１２を参照して以下で説明される場合を除いて、本システムが実開口画像を事前実開口画像と比較する場合、地形に対してコヒーレントにナビゲートすることは、一般に不可能である。インコヒーレントナビゲーションは、独特の地形がある場合に（すなわち、エンベロープのみを使用して）可能であるが、均一な底面（干潟、砂利場、海底等）に対して、これは通常可能ではない。

例えば、ＡＵＶ上で実装されるシステムを使用する地形のホログラフィックナビゲーションは、実開口画像のうちの少なくとも１つを合成開口画像と置換することによって、この問題を解決する。合成開口画像は、一種のホログラム（または準ホログラム）であるため、周波数および角度の何らかの範囲にわたって、全ての可能な実開口画像を含有する。その結果として、合成開口画像に対して実開口画像を相関させ、ゼロではない予期される相互相関を有することが可能であり得る。しかしながら、閉鎖／開放開口の定理によれば、合成開口が平面合成開口であることが要求されてもよく、それが２次元で完全にデータ投入され、ナイキストサンプリングされていることを意味する。この種類の集団およびサンプリング周波数は、一般に非実用的である。

地形が表面上に埋め込み散乱体を伴う多様体であると仮定し、臨界角を上回るサブボトムプロファイル／動作、またはＳＮＲが低い臨界角を下回る動作を回避することによって、周波数の大きさを変更することができるならば、平面開口を輪郭開口と置換できることを示すことが可能である。例えば、アクティブソナーまたはレーダ、および平底上の範囲内で５センチメートル離間した２つの散乱体を考慮されたい。地面から散乱体を見るソナーまたなレーダの視点から、２つのエコーの進行方向は、１０ｃｍ異なる（外および後）。代わりに、観察者が、水平より上側の４５度の角度で見下ろしている場合、差異は、４５度（半分）の余弦によって７．０７ｃｍに短縮される。よって、水平で、１０ｃｍ波長は、正確に１サイクル位相がずれ（建設的に（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅｌｙ）干渉する）、２０センチメートル波長は、正確に半サイクル位相がずれるであろう（破壊的に（ｄｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅｌｙ）干渉する）。４５度で、同じことが７．０７ｃｍ波長および１４．１４ｃｍ波長に当てはまるであろう。両方の波長は、同一量だけ拡大縮小される（同様に、反比例を除いて、周波数も拡大縮小される）。より一般的に、対頂角の変化が、全ての周波数を偏移させ、角度の余弦によって信号長を変化させる。これは、周波数の倍増が１オクターブのピッチの変化に対応するピッチの変化ほど大きい周波数の偏移ではない。よって、水平から６０度で見下ろすことへ観察角を変化させることによって、予期される帰還は、半分短縮され、ピッチを１オクターブ増加させる。これが機能するために、第１の観察に対して適切に拡大縮小された周波数において第２の観察が行われることが必要であり、非常に狭い帯域のシステムについて、グレージング角の過剰な変化は、単純に、既知のシグネチャを帯域外にさせる。

本明細書において説明されるシステムおよび方法のグレージング角補償および事前合成開口画像を使用する、いくつかの実施形態では、単一要素ソナーまたはレーダを使用して、地形に対してナビゲートすることが可能である。合成開口システムは極めて高価であるが、単一要素システムは、概して、非常に安価である。これは、非常に高価なマッピングシステムが、最小の慣性ナビゲーションとともに、安価な自律システムの広範な使用を可能にできることを意味する。しかしながら、現在までの成功したホログラフィックナビゲーション実装が全て、低周波数ソナー（すなわち、５０ｋＨｚ未満）を使用している一方で、より高い周波数のシステムは機能していない。これは、より低い周波数の伝送機が、一般に、より大型、より高電力、およびより高価であるため不利である。したがって、高周波数単一要素ホログラフィックナビゲーションシステムを有することが望ましい。ホログラフィックナビゲーションシステムおよび方法のさらなる例示的実施形態が、米国特許出願第１２／８０２，４５３号、第１２／４５４，４８６号、第１２／４５４，４８４号、および第１２／４５４，８８５号で開示され、その各々の内容は、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。

一側面では、本発明は、ホログラフィックナビゲーションを介した、地形の相対的局所化の方法に関する。ホログラフィックナビゲーションおよびホログラフィック地図は、米国特許出願第１２／７９８，１６９号および第１２／８０２，４５５号でさらに説明され、その各々の内容は、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。いくつかの点において、ホログラフィックナビゲーションは、ソナーおよびレーダ画像のホログラフィック特性を利用する、地形の相対的局所化の方法である。頻繁に、そのような地形の相対的局所化は、自律水中車両（ＡＵＶ）上で実装されたシステムによって行われる。しかしながら、そのようなシステム上で実装されたホログラフィックナビゲーションアルゴリズムの性能は、周波数が増加し、波長が減少するにつれて、大幅に劣化し得る。従来、概して、そのような劣化は、グレージング角補償の仮定のうちのいくつかが崩れるためであると仮定される。言い換えれば、陰影、閉塞、および複雑な３Ｄ緩和が、シグネチャを根本的に変化させるため、垂直方位の変化は、もはやピッチの純粋な変化にマップしないと仮定される。しかしながら、発明者らは、近年、この仮定が完全に正しいわけではなく、ホログラフィックナビゲーションが、空間的に変動する位相誤差により、より高い周波数において機能しなくなり得ることを認識している。いくつかの実施形態では、本発明は、より低い電力消費およびより小型サイズのハードウェアを用いて、より高い周波数におけるホログラフィックナビゲーションを可能にすることによって、これらの範囲変動位相誤差を補正する。

上述のように、システム１００は、音響信号を伝送および受信するためのソナーユニット１１０を含む。ソナーユニットは、一列に配列された１つ以上の伝送要素またはプロジェクタおよび複数の受信要素を有するトランスデューサアレイ１１２を含む。ある実施形態では、トランスデューサアレイ１１２は、別個のプロジェクタおよび受信機を含む。トランスデューサアレイ１１２は、ＳＡＳモード（進路要図またはスポットライトモードのいずれか）で、または実開口モードで動作するように構成されてもよい。ある実施形態では、トランスデューサアレイ１１２は、マルチビーム音響測深器、サイドスキャンソナー、またはセクタスキャンソナーとして動作するように構成される。１つの伝送要素および６つの受信要素を有するトランスデューサアレイの一実施例が、図３に示されている。伝送要素および受信要素は、所望に応じてサイズ決定および成形されてもよく、本開示の範囲から逸脱することなく、所望に応じて、任意の構成で、および任意の間隔を用いて配列されてもよい。本開示で後述されるように、トランスデューサアレイ１１２の数、サイズ、配列、および動作は、地形に高周波の音波を当て、地形または物体の高分解能画像を生成するように選択および制御されてもよい。アレイ１１２の一実施例は、１２と３／４インチの車両に搭載された５ｃｍ要素を有する１６チャネルアレイを含む。

ソナーユニット１１０は、トランスデューサから受信される電気信号を受信および処理するための受信機１１４と、電気信号をトランスデューサに送信するための伝送機１１６とをさらに含む。ソナーユニット１１０は、開始および終了を含む伝送機の動作、およびピングの周波数を制御するための伝送機コントローラ１１８をさらに含む。

受信機１１４によって受信される信号は、調節および補償のためにプリプロセッサに送信される。特に、プリプロセッサ１２０は、異常値を排除するため、およびハイドロホン変動を推定して補償するためのフィルタ調節器１２２を含む。プリプロセッサは、車両の移動を推定して補償するためのドップラ補償器１２４をさらに含む。前処理された信号は、照合フィルタ１３０に送信される。

照合フィルタ１３０は、範囲内で照合フィルタリングを行うためのパルス圧縮器１３２と、方位角において照合フィルタリングを行い、それにより、方向推定を行うためのビームフォーマ１３４とを含む。

信号補正器１４０は、グレージング角の差異を補償するようソナー画像を調整するためのグレージング角補償器１４２を含む。典型的には、ソナーが点散乱体の集合を撮像する場合、画像は観察角とともに変化する。例えば、固定された高度および航行方向で動作し、海底経路を観察するＳＡＳシステムは、異なる範囲で異なる画像を生成するであろう。同様に、固定された水平範囲において作製されるＳＡＳ画像は、高度が変化させられた場合に変化するであろう。そのような場合において、画像の変化は、グレージング角の変化によるものであろう。グレージング角補償器１４２は、グレージング角不変の画像を生成するように構成される。１つのそのようなグレージング角補償器が、「ＡｐｐａｒａｔｕｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｆｏｒＧｒａｚｉｎｇＡｎｇｌｅＩｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＳｉｇｎａｌＤｅｔｅｃｔｉｏｎ」と題された米国特許出願第１２／８０２，４５４号で説明され、その内容は、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。

信号補正器１４０は、範囲変動位相誤差を補正するための位相誤差補正器１４４を含む。位相誤差補正器１４４は、図７を参照して説明される技法を使用して、位相誤差を補正してもよい。概して、位相誤差補正器１４４は、画像をより小さい断片に分け、各断片は、実質的に一定の位相誤差を有する。次いで、位相誤差が、より小さい断片の各々について推定および補正されてもよい。

システム１００はさらに、信号相関器１５２および記憶装置１５４を有する、信号検出器１５０を含む。信号検出器１５０は、潜在的な標的を検出し、検出された物体の位置および速度を推定し、標的またはパターン認識を行うように構成されてもよい。一実施形態では、記憶装置１５４は、１つ以上の以前に取得されたＳＡＳ画像、実開口画像、または任意の他の好適なソナー画像を含有し得る地図記憶装置を含んでもよい。信号相関器１５２は、信号補正器１４０から取得された受信および処理された画像を、地図記憶装置１５４からの１つ以上の事前画像と比較するように構成されてもよい。

システム１００は、本開示から逸脱することなく、図示されていない他の構成要素を含んでもよい。例えば、システム１００は、データロギングおよび記憶エンジンを含んでもよい。ある実施形態では、データロギングおよび記憶エンジンは、科学的データを記憶するために使用されてもよく、次いで、データは、ナビゲーションシステムを支援するための後処理で使用されてもよい。システム１００は、システム１００の１つ以上の特徴へのアクセスを制御するため、および１つ以上の特徴の使用を認可するためのセキュリティエンジンを含んでもよい。セキュリティエンジンは、アクセスを制御するための好適な暗号化プロトコルおよび／またはセキュリティキーおよび／またはドングルを伴って構成されてもよい。例えば、セキュリティエンジンは、地図記憶装置１５４に記憶された１つ以上の地図を保護するために使用されてもよい。地図記憶装置１５４の中の１つ以上の地図へのアクセスは、適切なライセンス、権限、または許可を有するある個人または実体に限定されてもよい。セキュリティエンジンは、いったんこれらの個人または実体が権限を与えられたことを確認すると、これらの個人または実体に１つ以上の地図へのアクセスを選択的に許可してもよい。セキュリティエンジンは、限定されないが、ナビゲーションコントローラ１７０、モータコントローラ１８０、センサコントローラ１９０、伝送機コントローラ１１８、およびＣＣＵ１６０を含む、システム１００の他の構成要素へのアクセスを制御するように構成されてもよい。

概して、トランスデューサ１１２を除いて、システム１００の種々の構成要素が、図２のコンピュータシステム２００等のコンピュータシステムで実装されてもよい。より具体的には、図２は、本開示の例示的実施形態による、ネットワークにアクセスする汎用コンピュータの機能ブロック図である。本願で説明されるホログラフィックナビゲーションシステムおよび方法は、図２のシステム２００を使用して実装されてもよい。

例示的なシステム２００は、プロセッサ２０２と、メモリ２０８と、相互接続バス２１８とを含む。プロセッサ２０２は、マルチプロセッサシステムとしてコンピュータシステム２００を構成するための単一のマイクロプロセッサまたは複数のマイクロプロセッサを含んでもよい。メモリ２０８は、例示的に、メインメモリおよび読取専用メモリを含む。システム２００はまた、例えば、種々のディスクドライブ、テープドライブ等を有する大容量記憶デバイス２１０も含む。メインメモリ２０８はまた、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）および高速キャッシュメモリも含む。動作および使用中、メインメモリ２０８は、メインメモリ２０８に記憶されたデータ（例えば、地形のモデル）を処理するときにプロセッサ２０２による実行のための命令の少なくとも複数部分を記憶する。

いくつかの実施形態では、システム２００はまた、ネットワーク２１６を介したデータ通信のためのインターフェース２１２として、一例として示される、通信のための１つ以上の入出力インターフェースを含んでもよい。データインターフェース２１２は、モデム、イーサネット（登録商標）カード、または任意の他の好適なデータ通信デバイスであってもよい。データインターフェース２１２は、直接的に、または別の外部インターフェースを通してのいずれかで、イントラネット、インターネット、またはＩｎｔｅｒｎｅｔ等のネットワーク２１６への比較的高速のリンクを提供してもよい。ネットワーク２１６への通信リンクは、例えば、光学、有線、または無線（例えば、衛星または８０２．１１Ｗｉ−Ｆｉまたはセルラーネットワークを介した）リンク等の任意の好適なリンクであってもよい。いくつかの実施形態では、通信は、音響モデム上で起こってもよい。例えば、ＡＵＶについては、通信は、そのようなモデム上で起こってもよい。代替として、システム２００は、ネットワーク２１６を介したウェブベースの通信が可能なメインフレームまたは他の種類のホストコンピュータシステムを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、システム２００はまた、好適な入出力ポートをも含み、または、プログラミングおよび／またはデータ入力、読み出し、または操作目的でローカルユーザインターフェースとしての機能を果たすローカルディスプレイ２０４およびユーザインターフェース２０６（例えば、キーボード、マウス、タッチスクリーン）等と相互接続するための相互接続バス２１８を使用してもよい。代替として、サーバ運営人員が、ネットワーク２１６を介して、遠隔端末デバイス（図に示されていない）からシステム２００を制御および／またはプログラムするために本システムと相互作用してもよい。

いくつかの実施形態では、高周波数ホログラフィックナビゲーションを実装するシステムは、１つ以上のコヒーレントセンサ（例えば、ソナー、レーダ、光学アンテナ等）２１４に連結されるナビゲーションコントローラ１７０等のプロセッサを必要とする。地形のモデルに対応するデータおよび／またはモデルと関連付けられるホログラフィック地図に対応するデータは、メモリ２０８または大容量記憶装置２１０に記憶されてもよく、およびプロセッサ２０２によって読み出されてもよい。プロセッサ２０２は、本願で説明される方法のうちのいずれか、例えば、グレージング角補償または高周波数ホログラフィックナビゲーションを行うために、これらのメモリデバイスに記憶された命令を実行してもよい。

本システムは、情報を表示するためのディスプレイ２０４と、前述のデータの少なくとも一部分を記憶するためのメモリ２０８（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュ等）と、前述のデータの少なくとも一部分を記憶するための大容量記憶デバイス２１０（例えば、ソリッドステートドライブ）とを含んでもよい。任意の一式の前述の構成要素が、入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース２１２を介してネットワーク２１６に連結されてもよい。前述の構成要素の各々は、相互接続バス２１８を介して通信してもよい。

いくつかの実施形態では、高周波数ホログラフィックナビゲーションを実装するシステムは、１つ以上のコヒーレントセンサ（例えば、ソナー、レーダ、光学アンテナ等）２１４に連結されるプロセッサを必要とする。好適なセンサアレイの実施例が、図３および４に概略的に図示されている。例示的なソナーアレイが、図３に示されている。このアレイは、伝送機と、受信アレイと、受信要素とを含む。例示的な合成開口ソナーアレイが、図４に示されている。このアレイは、伝送機と、受信アレイと、受信要素と、関連位相中心／仮想要素を有する仮想アレイとを含む。

地形のモデルに対応するデータ、モデルと関連付けられるホログラフィック地図に対応するデータ、およびグレージング角補償のためのプロセスは、図２に示されたように、データに作用するプロセッサ２０２によって行われてもよい。本システムは、情報を表示するためのディスプレイ２０４と、前述のデータの少なくとも一部分を記憶するためのメモリ２０８（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュ等）と、前述のデータの少なくとも一部分を記憶するための大容量記憶デバイス２１０（例えば、ソリッドステートドライブ）とを含んでもよい。任意の一式の前述の構成要素が、入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース２１２を介してネットワーク２１６に連結されてもよい。前述の構成要素の各々は、相互接続バス２１８を介して通信してもよい。

動作中、プロセッサ２０２は、センサ２１４の位置推定値、センサ２１４からの波形または画像、および地形、例えば、海底のモデルに対応するデータを受信する。いくつかの実施形態では、そのような位置推定値は、受信されなくてもよく、プロセッサ２０２によって行われるプロセスは、この情報なしで継続する。随意に、プロセッサ２０２は、ナビゲーション情報および／または高度情報を受信してもよく、プロセッサ２０２は、コヒーレント画像回転アルゴリズムを行ってもよい。システムプロセッサ２０２からの出力は、車両が移動する必要がある位置を含む。

システム２００に含有される構成要素は、典型的には、サーバ、ワークステーション、パーソナルコンピュータ、ネットワーク端末、携帯用デバイス等の汎用コンピュータシステムに見出される。実際、これらの構成要素は、当技術分野で周知であるそのようなコンピュータ構成要素の広いカテゴリを表すことを目的としている。

本発明のシステムおよび方法に関与する方法は、不揮発性コンピュータ使用可能および／または可読媒体を含むコンピュータプログラム製品において具現化されてもよいことが、当業者に明白となるであろう。例えば、そのようなコンピュータ使用可能媒体は、その上に記憶されたコンピュータ可読プログラムコードを有するＣＤＲＯＭディスク、従来のＲＯＭデバイス、またはランダムアクセスメモリ、ハードドライブデバイスまたはコンピュータディスケット、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、または任意の類似デジタルメモリ媒体等の読取専用メモリデバイスから構成されてもよい。

随意に、本システムは、慣性ナビゲーションシステム、ドップラセンサ、高度計、ホログラフィック地図のデータ投入部分上にセンサを固定するギンブリングシステム、全地球測位システム（ＧＰＳ）、長基線（ＬＢＬ）ナビゲーションシステム、超短基線（ＵＳＢＬ）ナビゲーション、または任意の他の好適なナビゲーションシステムを含んでもよい。

（高周波数ホログラフィックナビゲーション）
図５Ａ−５Ｂは、本開示の例示的実施形態による、システム１００等の例示的な高周波数ソナーナビゲーションシステムを使用して地形をナビゲートするためのプロセス５００および５５０を描写する。特に、プロセス５００および５５０は、図１のシステム１００のいくつかの構成要素にわたって実装されてもよい。システム１００は、ワイヤを介して、または無線で、地図記憶装置１５４においてナビゲートされている地形の一部分の事前高周波数ＳＡＳ画像を受信してもよい（ステップ５０２）。事前画像は、１００ｋＨｚよりも大きい周波数範囲を使用して取得されていてもよい。例えば、事前ＳＡＳ画像の周波数は、１００ｋＨｚ〜１１０ｋＨｚまたは１１０ｋＨｚ〜１２０ｋＨｚの間の周波数範囲内の十分に形成された画像を形成してもよい。事前ＳＡＳ画像の周波数は、１００ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚおよび／または１２５ｋＨｚ〜１７５ｋＨｚおよび／または１７５ｋＨｚ〜２２５ｋＨｚの間であってもよい。事前ＳＡＳ画像の周波数は、５００ｋＨｚより大きくてもよく、ある実施形態では、周波数は、１ＭＨｚより大きくてもよい。ある実施形態では、周波数範囲は、用途に基づいて選択されてもよい。例えば、ある海洋システムについて、周波数は、最大で約５００ｋＨｚであってもよく、ある医療超音波システムでは、周波数は、約１５ＭＨｚであってもよい。ある実施形態では、周波数範囲は、１００ｋＨｚ未満であるように選択されてもよい。そのような実施形態では、プロセス５００は、波長に対する誤差のサイズの比に応じて、特に有益であり得る。一実施例では、波を受けて跳ねる船について、プロセス５００は、１０ｋＨｚを下回る周波数に対して有益であり得る。事前ＳＡＳ画像は、グレージング角補償および／または位相誤差補正されてもよく、画像の周波数は、グレージング角補正後のものであり得る。ある代替実施形態では、事前画像は、数１０ｋＨｚおよび１００ｋＨｚ未満の低周波数画像を含んでもよい。

プロセス５００は、ＣＣＵ１６０によって、以前の位置に基づいて地形を横断する車両の初期位置値を予測することを含む（ステップ５０４）。位置値は、任意の好適な座標系で表されてもよい。ＣＣＵ１６０は、ナビゲーションコントローラ１７０からの情報および以前の移動に基づいて、この初期位置値を生成してもよい。ＣＣＵ１６０はまた、この初期位置値と関連付けられる誤差推定値またはナビゲーション不確実性を決定してもよい（ステップ５０６）。

システム１００は、高周波数信号でナビゲートされている地形の一部分に高周波の音波を当て、現在のソナー画像を生成してもよい（図５Ａのステップ５０８、図５Ｂのステップ５５８）。ある実施形態では、伝送機コントローラ１１８と接続しているＣＣＵ１６０が、伝送命令を伝送機１１６およびトランスデューサアレイ１１２に送信してもよい。コヒーレント相関を可能にするために、撮像の周波数は、ステップ５０２において得られる受信された事前地図の周波数範囲と重複するように選択されてもよい。周波数の重複は、完全重複、部分重複、または潜在的重複であってもよい。完全重複においては、現在のソナー画像の周波数範囲は、完全に事前地図の周波数範囲内に位置してもよい。部分重複では、現在のソナー画像の周波数範囲は、事前地図の周波数範囲と部分的に重複してもよい。現在の未加工撮像プロセスおよび事前マッピングプロセスの周波数範囲が重複しないときでさえも、２つの画像の方位または視角が適正に異なる場合に、依然として潜在的重複があってもよい。そのような内示的重複シナリオにおいては、現在の画像および事前地図のグレージング角補正周波数は、少なくとも部分的に重複する。例えば、４５度グレージング角における１００ｋＨｚ信号は、ゼロのグレージング角における７０．７ｋＨｚ信号と同一の投影波長を有し、その結果として、潜在的重複を構成するであろう。別の実施例として、比較的平坦なグレージング角における１００ｋＨｚ〜１１０ｋＨｚ画像は、比較的急なグレージング角における１１０ｋＨｚ〜１２０ｋＨｚ地図とコヒーレントに相関してもよい。概して、システム１００は、ＳＡＳとして動作し、高周波数ＳＡＳ画像を取得してもよい。ＳＡＳ画像を取得するために、システム１００は、セクタスキャンモード、サイドスキャンモード、進路要図モード、および／またはスポットライトモードで動作してもよい。システム１００は、さらに位相アレイとして動作し、地形の実開口画像を取得してもよい。

図５Ａのステップ５０８において実開口画像、または図５Ｂのステップ５５８において合成開口画像を含み得る取得された現在の画像は、プリプロセッサ１２０、照合フィルタ１３０を通過させられ、信号補正器１４０において受信されてもよい。取得された現在の画像は、グレージング角補償器１４２によってグレージング角を補償するように修正される（図５Ａのステップ５０９、図５Ｂのステップ５５９）。概して、取得された現在の画像は、グレージング角不変の画像に変換される。グレージング角補償器１４２は、埋め込み点散乱体を有する滑らかに起伏する多様体として地形（例えば、海底）を概算し、点散乱体エコー間の干渉としてソナー信号をモデル化する。陰影および閉塞は、概して、無視され、グレージング角の変化は、エコーのピッチを変化させると仮定される。ピッチの変化は、概して、全ての周波数を、グレージング角の割線である乗数だけ拡大縮小させる。プロセスを逆転させる（すなわち、エコーを海底上に発射させる）ことによって、グレージング角と無関係である散乱体間隔と画像周波数との間の関係が確立される。典型的には、グレージング角補償は、伝送機設計によって限定され、角度の適用可能な範囲は、信号帯域幅および伝送機性質によって決定される。

次いで、実開口画像または合成開口画像または任意の好適なソナー画像であり得る、補償された、取得された現在の画像は、位相誤差補正器１４４によって範囲変動位相誤差を補正するように修正される（図５Ａのステップ５１０、図５Ｂのステップ５６０）。高周波数撮像およびナビゲーションを可能にする、範囲変動位相誤差を補正するプロセスが、図７を参照してさらに詳細に説明される。

補償および誤差補正された、地形の取得された現在の画像は、信号相関器１５２において、ステップ５０２において受信される事前ＳＡＳ地図とコヒーレントに相関させられる（図５Ａのステップ５１１、図５Ｂのステップ５６１）。概して、画像強度が空間的に変動し得るので、信号検出器１５０は、正規化相関を行うように構成されてもよい。ある実施形態では、正規化相関は、相関係数を計算することによって行われてもよい。概して、ソナー画像については、相関係数は、しばしば低く（０．１未満）、値は、利用可能な構造に依存する。地形についての演繹的知識がないと、検出器閾値を定義することが困難である。しかしながら、信号対雑音比（ＳＮＲ）が高くあり得るので、検出は依然として可能であり得る。信号検出器１５０は、信号（振幅および位相）および／または雑音の統計的分布を含む、正規化相関の付加的な統計を計算してもよい。統計的分布は、レーリーおよび／またはガウス分布を含んでもよい。検出器閾値は、分布に基づいて選択されてもよい。信号検出器１５０の技法に含まれる、好適な相関技法の実施例は、その各々の内容全体が、参照することにより本明細書に組み込まれる、“ＯｎＣｏｒｒｅｌａｔｉｎｇＳｏｎａｒＩｍａｇｅｓ，”ＲｉｃｈａｒｄＪ．ＲｉｋｏｓｋｉａｎｄＪ．ＴｏｒｙＣｏｂｂａｎｄＤａｎｉｅｌＣ．Ｂｒｏｗｎ，Ｒｏｂｏｔｉｃｓ：ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ’０５，２００５、および“Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，”ＲｉｃｈａｒｄＪ．ＲｉｋｏｓｋｉａｎｄＤａｎｉｅｌＣ．Ｂｒｏｗｎ，ＩＣＲＡ’０８，２００８で説明される。

地図との画像のコヒーレント相関を使用して、ＣＣＵ１６０は、測定された位置値（ステップ５１２）および位置の関連誤差推定値（ステップ５１３）を決定してもよい。測定された位置を決定する、ある例示的な技法は、その内容全体が参照することにより本明細書に組み込まれる、“Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，”ＲｉｃｈａｒｄＪ．ＲｉｋｏｓｋｉａｎｄＤａｎｉｅｌＣ．Ｂｒｏｗｎ，ＩＣＲＡ’０８，２００８で説明される。

新しい位置推定値に基づいて、ＣＣＵ１６０は、制御信号を更新し、それに従って車両を移動させるようにモータコントローラ１８０に命令してもよい。新しい場所へのナビゲーションが完了した場合（ステップ５１５）、以前の地図ベースの計算された位置は、以前の位置として設定され（ステップ５１６）、プロセス５００は、新しい位置で繰り返される。

いくつかの実施形態では、従来のＳＡＳナビゲーションは、ロバストかつ容易に位置の値を求め得るが、例えば、無人自律車両の航行方向の値を低い効率でしか求め得ない。航行方向を推定するために、種々の角度において実開口または合成開口画像のいずれかに対して合成開口画像を相関させることが可能であり得るが、これは計算集約的であり得る。提案されたシステムは、航行方向推定問題を２つのステッププロセスに分解することによって、この問題を解決してもよい。第１に、ホログラフィックナビゲーションは、位置を推定するために使用される。次いで、推定された位置を中心とする角座標系を使用して相関が行われる。範囲がｒであり、角度がθであると仮定して、ｒおよびθの関数である座標系が相関に使用される。最も単純なインスタンス化では、（ｆ（ｒ），ｇ（θ））＝（ｒ，θ）であるが、ｆ（ｒ）＝底面に沿った水平距離、またはｇ（θ）＝ｓｉｎ（θ）のような代替案もまた、適切であり得る。相関は、範囲および角度または角度のみのいずれかにあってもよいが、航行方向を検出するために、角度において相関する必要があり得る。最大相関を有する角度は、再取得ソナーが対面している方向に対応する。航行方向の値を求めるための２つの例示的なプロセスは、各々、図６Ａおよび図６ｂに図示されるプロセス６００および６５０である。プロセス６００および６５０は、図６Ａのステップ６０２および図６Ｂのステップ６５２に示されるように、測定された位置値に基づいて航行方向を決定するステップを除いて、各々、プロセス５００および５５０に類似してもよい。

上述のように、システム１００は、範囲変動位相誤差を補正するための位相誤差補正器１４４を含む。範囲変動位相誤差は、２つの高周波数画像（例えば、画像と地図と）の間で相関させるときに、低い相関値につながり得る。例示的実施例として、高周波数ソナーを有するロボットが、その画像を事前地図と相関させようとするが、１ｃｍの高度誤差および１ｃｍの波長を有すると仮定されたい。車両の真下では、これが２ｃｍの経路長誤差、または２サイクルとなる。広い範囲では、これは、ゼロサイクル遅延につながる。その結果として、事前ソナー画像および新しいソナーの共役が一緒に乗算されるが、合計されない場合（ｉｍａｇｅ１^＊ｃｏｎｊ（ｉｍａｇｅ２））、観察されるであろうものは、高度誤差に起因する範囲変動位相である。乗算された画像が一緒に合計されたとき、この範囲変動位相誤差は、相殺的な干渉を引き起こし、非常に低い相関値につながるであろう。

同様に、第２の例示的実施例として、０．０１％音速誤差、１ｃｍソナー、および５メートルの動作高度を仮定する。車両直下の進行経路は、１０メートル、または１０００サイクルであり、１／１０のサイクル誤差につながる。５０メートル（または１０，０００サイクル）の範囲において、これは、完全サイクル誤差につながる。５００メートルの範囲において、これは、１０サイクルの誤差につながる。よって、再度、乗算されたソナー画像が合計されたとき、相殺的な干渉が相互相関を引き下げるであろう。高周波数ホログラフィックナビゲーションは、これらの影響を受けないほど十分小さい画像断片を使用すること、またはこれらのバイアスパラメータを推定して補正することのいずれかによって、これらの問題を解決しようとする。

位相誤差を補正する１つの方法は、画像を、位相誤差が一定である小さい領域に切り分け、これらを独立測定値として使用することである。非常に高い信号対雑音比（ＳＮＲ）を有する領域中において、これは、非常に効率的であり得る。図７は、本開示の別の例示的実施形態による、高周波数ソナーシステムにおける範囲変動位相誤差を補正するためのプロセス７００を描写する。プロセス７００は、図１のシステム１００の中の信号補正器１４０の位相誤差補正器１４４に実装されてもよい。プロセス７００は、実開口画像または合成開口画像を受信することから始まる（ステップ７０２）。ある実施形態では、実開口画像は、グレージング角補償を用いて修正されてもよい。位相誤差補正器１４４は、受信された実開口画像全体の範囲変動位相誤差を推定してもよい（ステップ７０４）。次いで、位相誤差補正器１４４は、画像にわたる位相誤差の変動が、誤差閾値未満であるか否かを決定してもよい（ステップ７０６）。誤差閾値は、所望に応じて設定されてもよい。ある実施形態では、誤差閾値は、実開口画像の最大範囲に応じて設定されてもよい。画像にわたる位相誤差の変動が、誤差閾値よりも大きい場合には、画像は、下位領域に分割されてもよい（ステップ７０８）。位相誤差補正器１４４は、所望に応じて、画像を下位領域に分割してもよい。下位領域は、等しいサイズまたは異なるサイズであってもよい。下位領域は、サイズ変動が範囲に基づき得るように様々なサイズであってもよい。位相誤差補正器１４４は、各下位領域の位相誤差を推定し（ステップ７１２）、各下位領域にわたる位相誤差の変動が位相誤差閾値未満であるか否かを決定してもよい（ステップ７１４）。下位領域の誤差閾値は、ステップ７０６と関連付けられる誤差閾値と同一であり、またはそれとは異なり得る（それよりも大きい、または小さい）。各下位領域の誤差閾値は、異なり、または同一であり得る。特定の下位領域中の位相誤差が誤差閾値未満である場合、その特定の下位領域は、特定の下位領域の全体にわたって実質的に一定である対応する位相誤差について補正されてもよい（ステップ７１５）。位相誤差が閾値よりも大きい場合には、下位領域は、より小さい下位領域に分割されてもよく、ステップ７０８、７１２、７１４が繰り返されてもよい。ある実施形態では、下位領域は、一定の高度位相誤差または一定の音速誤差を有するように選択されてもよい。１つ以上の高感度マッピング領域中の１つ以上の選択された下位領域が、可能な限り最大のサイズを有するように選択されてもよい。

ある実施形態では、システム１００が小型パッチ（例えば、５０ピクセル×５０ピクセル）を相関させることができると仮定されたい。そのような実施例では、画像が１０００×１０００ピクセルである場合には、システム１００は、画像を、最大で各々５０×５０ピクセルの２０×２０領域に切り分けてもよい。システム１００は、４００回の別個の相関を行ってもよい。各相関は、未知の誤差関数により、わずかな偏移およびわずかに異なる位相値を有するピークを有してもよい。システム１００は、各相関の絶対値を取り、それらを一緒に合計して、位相差による相殺的な干渉を排除してもよい。そのようなアプローチは、少なくとも誤差関数が未知であるときに有利であり得る。また、単一画像相関の絶対値の分布が認められるときに、雑音はレーリー分布であり得るが、システム１００が大数を合計するとき、大数の法則が適用され、雑音はガウス分布となる。

システム１００は、位相誤差を補償するための他の方法を含んでもよい。ある実施形態では、実像が得られ、ほぼ静止した位相との小画像相関領域のエンベロープの合計が、その合計に基づいて確率密度関数を計算する前に計算される。これは、撮像方法において使用されるスペックル低減技法に類似し得る。合計は、単一の高度解に対するもの、または複数の高度解に対するもののいずれかであり得る。複数の高度解が使用される場合には、技法が高度バイアスを測定する。ある実施形態では、エンベロープのみ（相関結果の絶対値）を使用することにより、相関結果の間の相対位相差を除去する。多数の相関画像を一緒に合計することにより、レーリー分布からガウス分布へのスペックル強度の移行をもたらすことに留意することが重要であり、この差異は、相関結果を確率密度関数に変換するときに重要であり得る。レーリー分布を使用する以前のホログラフィックナビゲーション技法は、典型的には、サブ画像合計に基づく相関結果を提示されたときに機能しなくなり、より代表的な分布に切り替えることが重要である。少数の画像が一緒に合計されたとき、分布は、まだ完全にはガウスではない場合があり、Ｋ分布等の何らかの他の分布によってより良好に表されてもよい。

いくつかの実施形態では、範囲変動位相誤差を推定し、次いで、完全波形相関を可能にするよう適切な補正を適用するために、パッチが、ほぼ静止した位相とともに使用されてもよい。いくつかの実施形態では、範囲変動位相誤差を推定することは、とりわけ、位相値をアンラップして曲線を適合させること、未加工角度への最小二乗適合を行うこと、または座標系を変更すること、および遅延を見出すために高速フーリエ変換（ＦＦＴ）もしくは離散型フーリエ変換（ＤＦＴ）等の任意の種類のフーリエ変換またはまたはウェーブレット変換を使用することを含むいくつかの方法で行われてもよい。この実施形態（座標系変更およびＦＦＴを組み合わせること）は、ホログラフィックナビゲーションを超えた時間遅延推定に（例えば、特に上下動推定のために変位位相中心ナビゲーションを使用する合成開口システムの移動推定に）適用可能である。

上下動推定法の一実施例においては、以下を含む：

式中、ｔ＝時間、ｒ＝範囲、ｃ＝音速、ｘ＝水平範囲、およびｚ＝高度であり、

式中、ｅ_ｘ＝ｘ誤差、ｅ_ｚ＝ｚ誤差、ｓ〜＝包絡関数、ｋ_ｘ０＝搬送波周波数の波数であり、

ここで、誤差（ｅ_ｘ，ｅ_ｚ）のためにｓ１（ｘ１）！＝ｓ２（ｘ２）である。よって、ｓ１（ｘ１）にｓ２（ｘ２）の共役を乗算すると、信号は、オフセットだけ異なり：

ここで、ｅ_ｘは通常、非常に容易に観察可能かつ除去可能であり、範囲変動誤差が得られ：

ここで、信号は、以下であり：

ここで、新しい座標系への変換

は、これを以下に変換し：

ここから、ｅ_ｚを推定するためにフーリエ変換することができる。

ある実施形態では、信号補正器１４０またはシステム１００の任意の他の構成要素によって採用される１つ以上の技法は、限定されないが、変化検出および２パス干渉法を含む特定の適用において使用されてもよい。変化検出は、典型的には、場面毎に２回の通過を行い、次いで、２つの画像を正確に整列させ、それらをコヒーレントに比較するプロセスである。「変化」があった領域中において、それらは有意に相関を失い得る。２パス干渉法は、典型的には、場面上を２回だけ通過すること、２つの画像を整列させること、これら２つの画像の位相を比較することを行うプロセスである。２つの画像の位相の比較は、地形の変化および変形を明らかにしてもよい。ある実施形態では、そのような変形は、数日から数年の期間にわたってもよい。そのような適用は、地震、火山、および地滑り等の自然災害の地球物理学的監視に対して、また、沈下および構造安定性の監視を含む構造工学において有用であり得る。システム１００、とりわけ、信号補正器１４０の他の用途は、偵察、査察、および標的を含む。これらの用途は、高分解能画像を生成するため、および地形特徴（水面および／または水中）を区別するため、ならびに選択された人工標的を認識および識別するために、システム１００を使用してもよい。なおも他の用途は、干渉法、ナビゲーション、誘導、茎葉および地下または水面下標的を撮像すること、標的を検出して移動させること、石油流出を監視すること等の環境監視用途を含む。

本明細書において説明されるシステムおよび方法は、ソナーおよびレーダシステムの両方のために所望に応じて適合されてもよい。例えば、ソナートランスデューサが、好適なレーダトランスデューサと置換されてもよく、１つ以上の構成要素が、ソナーおよびレーダ体制で動作するよう修正され、本明細書において説明されるシステムに追加され、またはそこから除去されてもよい。いくつかの実施形態では、本システムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、ソナーおよびレーダデバイスの両方として動作するように構成されてもよい。ある実施形態では、本システムおよび方法がソナー撮像のために構成されるとき、周波数は、１００ｋＨｚから約２００ｋＨｚの範囲内であってもよい。ある実施形態では、本システムおよび方法がレーダ撮像のために構成されるとき、周波数は、１ＧＨｚから約３０ＧＨｚの範囲内であってもよい。概して、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の周波数範囲に適用されてもよい。

（高周波数ホログラフィックマッピングおよびナビゲーションシステムのある用途）
本明細書において説明されるシステムおよび方法は、発明者らが認識している合成開口画像のホログラフィック特性および高周波数の種々の他の側面を利用する。例えば、音響信号のその２次元シェーディングおよびシャドウイングに基づいて、形状の３次元モデルを決定するためのシステムおよび方法が、本明細書において説明される。いくつかの実施形態では、シェーディングからの従来の形状は、解が不足した１つのパラメータであってもよく、純粋な画像から３次元モデルを導出するために、近似が必要とされてもよい。しかしながら、合成開口画像は、準ホログラムであり、一連の角度の連続した画像を含有するため、シェーディング問題から形状を過度に制約するのに十分な情報を含有し得る。上記で説明されるシステムおよび方法は、ＳＡＳ画像をより低い分解能のサブパッチに分解し、次いで、複数の見晴らしの利く地点から観察されるシェーディングから、それらの配向を導出することによって、シェーディング問題から形状を解決する。

本明細書において説明されるシステムおよび方法は、ＨＦホログラフィックナビゲーションを使用して、高精度で（津波センサ等の）センサおよびナビゲーション標識を配置するための方法を含む。ある実施形態では、津波ブイが、水圧のわずかな変動に対して海底上のセンサを使用する。正確な測定を行うために、センサが海底上に適正に配置されることが必要である。センサが岩の後ろに隠されている、または海底上に水平に／うまく設置されてない場合、それらの測定の精度に影響を及ぼし得る。本明細書において説明されるシステムおよび方法は、事前地図を使用して、津波センサを非常に正確に配置することができるように、ホログラフィックナビゲーションシステム、および操縦システム、および津波センサを組み合わせる。

いくつかの実施形態では、ホログラフィックナビゲーションは、海底に対して非常に高精度のナビゲーションを可能にするが、海底を周期的に観察する必要性によって制限され得る。海底を観察するようにかなりの高度にあり得る中深海システムは、ホログラフィックナビゲーションまたはその精度を利用することができない。本明細書において説明されるシステムおよび方法は、標識システム、および操縦システム、およびホログラフィックナビゲーションシステムを組み合わせることによって、この制限に対処する。標識は、非常に正確にそれ自体を配置することができ、船を使用して標識システムを較正する必要なく、長基線ナビゲーションまたは超短基線ナビゲーションを含むシステムを有効にする。

本明細書において説明されるシステムおよび方法は、ＨＦホログラフィックナビゲーションを使用して取得される高精度位置測定に基づいて、自律水中車両（ＡＵＶ）を使用して水柱を監視およびモデル化するための方法を含む。いくつかの実施形態では、ＡＵＶは、ブイを囲むか、または単純に荷馬車の車輪を形成するかのいずれかである。相互に直交信号を伝送することによって、それらは、位置間の飛行時間を測定し、また、飛行時間差を測定することもできる。飛行時間から、水の音速を決定することが可能であり得、飛行時間差から、接続ベクトルに沿ったドップラ偏移を決定する／水の速度を推定することが可能であり得る。車両位置が、ホログラフィックナビゲーションを使用して決定され、それにより、後処理において水柱の高精度モデルを可能にする。車両は、再充電のために中央ブイにドッキングしてもよい。

いくつかの実施形態では、ＡＵＶ車両回収および車両ドッキングは、車両および目的地の両方の動的性質により、困難な問題であり得る。それを純粋に相対的な問題に分解することができる場合、車両は、ドックに対するその位置ならびにその配向を必要とする。本明細書において説明されるシステムおよび方法は、車両が、受動的にドッキングシステムに対するその非範囲位置を受動的に推定することを可能にし、かつ能動的にドッキングシステムまでのその範囲を推定することを可能にする。

いくつかの実施形態では、本システムは、ブレーズドアレイが異なる角度で異なる周波数を伝送するという事実を利用する。直角に配向された異なる周波数とともに２つのブレーズドアレイを使用して、周波数の２次元グリッドを作成する。例えば、周波数が水平変位とともに変化するように３００〜６００ｋＨｚブレーズドアレイが配向され、その周波数が垂直方向に変化するように６００〜１２００ｋＨｚブレーズドアレイが配向されたと仮定されたい。４５０ｋＨｚおよび９００ｋＨｚを観察する車両は、ドックに向かって真っ直ぐ突進しているであろう。５００ｋＨｚおよび９００ｋＨｚを観察するシステムは、正しい高度を有するであろうが、水平に変位させられるであろう。４５０ｋＨｚおよび９５０ｋＨｚを観察するシステムは、垂直に変位させられるであろう。いくつかの実施形態では、ドッキングステーションに対する車両の配向を測定するために、車両は、ブレーズドアレイからの入力信号の方向を測定するように小型受動アレイを有するであろう。

いくつかの実施形態では、範囲は、超短基線標識等の小型標識システムを使用して測定されてもよい。いくつかの実施形態では、範囲は、短距離のみで観察可能である高い周波数を使用して測定されてもよく、または完全に無視されてもよい（純粋に滑走路ベースのドッキング方法）。

（平面ＳＡＳおよびホログラフィックナビゲーションを使用する地震探査システム）
地震探査は、概して、音響または電磁気を用いて、陸上または地球外特性を測定するために使用される２Ｄまたは３Ｄ地球物理探査の形態である。地震探査システムは、海底石油探索のために必要であるが、大型、船舶集中的、高価、および高電力である。従来の地震探査システムは、海底に高周波の音波を当てるために非常に高出力の伝送機を使用し、大型船で引かれる、けん引アレイのネットワーク上で信号を受信する。

ある実施形態では、本システムおよび方法は、従来の地震探査システムよりも高い分解能、低い電力、および少ない大型船を用いて、全平面合成開口ソナーを形成するための、直交伝送機と複数の受信機との組み合わせを有する地震探査システムを含む。

出願者らのシステムは、合成開口ソナー（ＳＡＳ）の位相中心近似を利用する。位相中心は、伝送機と受信機の真ん中に位置する。（ナイキスト視点から）アレイが完全にデータ投入されるために、適切な数の適切に離間した位相中心を有する必要がある。

ある実施形態では、システム１００は、複数の伝送機を含む。直交信号とともに複数の伝送機を使用して、異なる伝送機によって作成される位相を区別することが可能であり得る。したがって、Ｍ個の伝送機およびＮ個の受信機を使用することによって、ＭＮ個の位相中心を作成することが可能である。これはしばしば、１つの伝送機およびＭＮ個の受信機を使用するよりも安価である。ある実施形態では、システム１００は、ＭおよびＮという任意の実用的な値に一般化する。

本システムの伝送機は、任意の種類の船舶またはロボット（船、自律水中車両（ＡＵＶ）、無人水面車両（ＵＳＶ）、原子力潜水艦等）上に搭載することができる。ある実施形態では、本明細書において説明されるシステムの伝送機は、比較的高い電力を必要としてもよい。そのような実施形態では、船舶は、必要電力を伝送機に供給するように、好適な電力送達システムを装備してもよい。自律システムが編隊で操縦するために理想的であり、水上艇がＧＰＳの使用を可能にするため、船舶の一実施例は、１０ｍのＲＨＩＢ（複合艇）等の中型サイズのＵＳＶを含む。

ある実施形態では、システム１００は、複数の受信機を含む。本システムの受信機は、種々の車両に搭載され、（可能ではあるが）アレイを船で引くことなく、種々のアレイ種類を使用することができる。いくつかの実施形態では、ＡＵＶは、海底の近くに編隊で放たれる。これは、帰還路上の損失を低減させ、必要な伝送電力を低減させ、受信機がホログラフィックナビゲーションを使用して正確に配置されることを可能にする。ホログラフィックナビゲーションは、このようにして、領域の事前海底探査を必要とするが、これは比較的安価である。

いくつかの実施形態では、伝送機および受信機の組み合わせは、位相中心のラインアレイを形成する。次いで、そのラインアレイは、データが蓄積されたときに、ナイキストサンプリングされた平面アレイがあるように、主に水平な方向に、その軸に対して直角に平行移動させられる。平面アレイを使用して、海底に深く浸透する高分解能ボクセルから成る３Ｄ画像を形成するように、信号をビーム形成することが可能であり得る。

概して、地震探査用途について、システム１００は、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の好適な周波数において操作されてもよい。例えば、システム１００は、１Ｈｚから約１０ｋＨｚの範囲における周波数のために構成されてもよい。システム１００は、概して、１００Ｈｚから約１０ｋＨｚの範囲における周波数を含む、１０ｋＨｚ未満の周波数のために構成されてもよい。ある実施形態では、システム１００は、レーダベースの地震用途のために、電磁トランスデューサおよび好適な構成要素を伴って適合されてもよい。そのような用途では、周波数は、約３００ＭＨｚから約３０ＧＨｚに及んでもよい。レーダまたはソナーベースのアプリケーションのために動作するように構成されるか否かにかかわらず、システム１００は、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の好適な範囲における周波数を使用してもよい。

本明細書において説明されるシステムおよび方法は、ソナーおよびレーダシステムの両方のために、したがって、合成開口ソナー（ＳＡＳ）および合成開口レーダ（ＳＡＲ）システムの両方のために、所望に応じて、適合されてもよい。例えば、ソナートランスデューサが、好適なレーダトランスデューサと置換されてもよく、１つ以上の構成要素が、ソナーおよびレーダ体制で動作するように、修正され、本明細書において説明されるシステムに追加され、またはそこから除去されてもよい。いくつかの実施形態では、本システムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、ソナーおよびレーダデバイスの両方として動作するように構成されてもよい。ある実施形態では、本システムおよび方法がソナー撮像のために構成されるとき、周波数は、１０Ｈｚから約１ｋＨｚの範囲内の高周波数および低周波数両方の範囲内であってもよい。ある実施形態では、本システムおよび方法がレーダ撮像のために構成されるとき、周波数は、１ＭＨｚから約１００ＭＨｚの範囲内であってもよい。概して、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の周波数範囲に適用されてもよい。

（低格子サイドローブＳＡＳ）
本明細書において説明されるシステムおよび方法は、複数の伝送機を追加することと、ＳＡＳシステムの性能を強化するように構成される、直交ピング発射シーケンスを生成することとを含む。特に、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、（図８−９Ｂを参照して説明されるような）低格子サイドローブを有するＳＡＳ、（図１０−１１Ｃを参照して説明されるような）複数の伝送機を使用する、高被覆率を有するＳＡＳ、およびＳＡＳシステムの範囲を増加させるための過剰ピング発射シーケンスを含む。

一般に、格子サイドローブは、アクティブソナー要素が１つ以上の波長で離れているときに起こる。格子サイドローブは、要素が半波長以上で離れているときには、完全に抑制されない場合がある。ほとんどのアクティブソナーシステムについては、この間隔は、極めて高いチャネル数および全方向要素を必要とするであろうため、非実用的である。代わりに、ほとんどのシステムは、限定されたビームパターンとともに、より大型のトランスデューサ要素を使用する。ソナーシステムの結果として生じるビームパターンは、アレイビームパターン（格子ローブを含む）および個々の要素のビームパターンの生成物である。これらの要素が、格子ローブの方向に比較的わずかに出力するため、この間隔は、部分的にローブを抑制する。１つの例示的実施形態によれば、伝送機および受信機要素は、関連次元（例えば、幅）ｄを有し、位相中心近似（伝送機と受信機との間の楕円進行経路が、伝送機と受信機の真ん中で中心に置かれた範囲円としてモデル化される）を仮定すると、古典的なＳＡＳアレイは、図９Ａに示されるように、「ｄ／２」間隔を有する。

図９Ｂの例示的実施形態によれば、示されるように、アレイサンプリングを、ｄ／２から、より高いもの（例えば、ｄ／４）に恣意的に増加させてもよい。この空間は、非常に高い分解能の画像を作成するよう、合成開口ソナーシステムが、多くのピング／位相中心を蓄積することができるように、常に移動しているという事実を利用する。次いで、Ｎ＞１である、ｄ／２Ｎサンプリングを用いてアレイを作成するよう、処理において追加することができるように、本システムは、元の位相中心の間に付加的な位相中心を作成するように非常に短い遅延後に、直交信号を伝送することによって動作する。事実上、ＳＮＲは、もはや格子ローブ制限されなくなる。

図８は、本開示の例示的実施形態による、画像を生成するようにシステム１００等の合成開口ソナー（ＳＡＳ）システムで複数の直交信号を使用するためのプロセス８００を描写する。特に、プロセス８００は、抑制された格子ローブを有するＳＡＳビームを生成するために直交信号を使用するように構成されてもよい。プロセス８００は、伝送要素および複数の受信要素を有する、（図１のアレイ１１２等の）ＳＡＳアレイを提供することから始まる（ステップ８０２）。そのようなアレイは、図９Ａおよび９Ｂで描写されている。ある実施形態では、伝送および受信要素の各々は、第１の寸法ｄを有してもよい。寸法は、長さ、幅、および直径を含む、任意の好適な寸法を含んでもよい。ユーザまたはＣＣＵ１６０は、直交ピングの数Ｎを決定してもよい（ステップ８０４）。上述のように、概して、Ｎ＞１である。ある実施形態では、サンプリングが約ｄ／４であるように、Ｎ＝２である。各ピングｐ（ｉ）＝｛ｐ１，ｐ２．．．，ｐｎ｝は、Ｔｐの持続時間を有する。ある実施形態では、時間が重複するピングが相互に対して直角であり、非直交ピングが相互と重複しないように、各ピングは、１つ以上の以前のピングに対して直角であり得る。ＣＣＵ１６０または伝送機コントローラ１１８は、移動中の伝送機と受信機要素との間の有効距離を表す、第１の有効間隔Ｄ＝ｄ／２を計算してもよい。

プロセス８００によれば、伝送機コントローラ１１８は、時間をｔ０に設定し、ｉ＝１である、ピングｐ（ｉ）を伝送し始めるように伝送機１１６に命令する（ステップ８０８）。トランスデューサアレイ１１２は、受信要素を接続する軸に平行な軸に沿って移動させられる（ステップ８１０）。ある実施形態では、伝送要素またはプロジェクタの面が受信機の面と同一平面にないことが容認可能であり得る。例えば、流線形車両は、本体形態と連続したポリウレタンコーティングを含むが、実際の伝送要素は、そのポリウレタンウィンドウの１〜２インチ後ろに埋め込まれてもよい。ＣＣＵ１６０は、トランスデューサアレイ１１２がＤ／Ｎの距離を移動したか否かを決定する（ステップ８１２）。トランスデューサアレイ１１２がＤ／Ｎの距離を移動した場合には、ＣＣＵ１６０は、全てのピングが現在の反復で伝送されたか否かを決定する（ステップ８１４）。全てのピングが伝送されなかった場合には、次のピング（以前のピングに直交している）が伝送され、プロセスがステップ８１０から繰り返される。例えば、Ｎ＝２であり、伝送機幅がｄ＝０．１ｍであり、ロボットが毎秒１メートルで平行移動しており、各サイクル内の第１のピングの間の期間が１ｓであり、パルス長が０．２ｓである場合、プロセス８００の１つの実装は、時間ｔ＝０で第１のピングを発射することを含む。時間ｔ＝０．０２５ｓで、トランスデューサ１１２は、ｄ／４の距離を平行移動している。時間ｔ＝０．０２５ｓで、トランスデューサ１１２は、第２の直交ピングを発射するように構成されてもよい。０．０２５ｓから０．２ｓの間では、第１のピングおよび直交第２のピングの両方が伝送されている。０ｓから０．０２５ｓの間では、第１のピングのみが伝送されており、０．２ｓから０．２２５ｓの間では、第２の直交ピングのみが伝送されている。

概して、理論によって拘束されるわけではないが、本プロセスは、車両が第２の仮想アレイを作成するほど十分に平行移動するまで、第２の信号の伝送を遅延させることを可能にする。プロセス８００に示されたように、遅延は、車両速度に関係してもよく、発射は、車両速度を一定に保ちながら、測定された移動に基づいて調整されてもよい（「速度従属」構成）。ある他の実施形態では、遅延は、固定されてもよく、車両速度は、進路に沿った補償を行うことを含んで調整されてもよい。別の構成では、照合フィルタ長が、位相中心を画定するときに進路に沿った移動の不完全を補償するように、わずかに調整されてもよい（例えば、上記の実施例では、雑音シーケンスを伝送するが、次いで、有効車両ピング開始位置を正しく設置するように、照合フィルタテンプレートの最初の０．００１ｓから０．００００１ｓを飛ばす）。

１０センチメートル要素および１０ｃｍ伝送機から成る、長さ１メートルの舷側アレイを伴う例示的なシステムを考慮されたい。次いで、位相中心の仮想アレイは、５ｃｍ離間した位相中心を伴って長さ５０ｃｍである。典型的なＳＡＳでは、車両は、伝送し、５０ｃｍ移動し、再度伝送するであろう。ｄ／４間隔で動作する本開示の変形例については、車両は、伝送し、２．５ｃｍ移動し、（元の信号を妨害しないよう）直交信号を伝送し、さらに４７．５ｃｍ移動し、次いで、繰り返すであろう。車両が１ｍ／ｓで移動していた場合、信号間の遅延は、１秒の１／４０、または２５ｍｓとなるであろう。伝送信号が２５ｍｓよりも長い場合には、２つの直交信号が重複するであろう。この場合、信号は、一緒に合計されたときに伝送機を飽和させないように設計される必要がある。目標が、ｄ／４である、より高いサンプリングである場合、複数の信号を一緒に合計する必要があり得る。

この方法は、舷側合成開口ソナーのみに制限されない。舷側アクティブ位相アレイが、サイドローブを低減させるように非常に短い開口合成を形成するために、この技法を使用してもよい（すなわち、サイドスキャンソナーが２つのピングを融合するであろう）。実開口および合成開口前向きおよび／または斜視ソナーが、それらの要素数を増加させるために、同一の技法を使用してもよい。本技法は、円形ＳＡＳアレイと非常に良好に連動するであろう。

次いで、開口合成後にサイドローブをさらに低減させるように、および直交信号からの雑音を抑制するように、信号をピングによって変化させることができる。これは、以下を含む、いくつかの方法で明らかにされる。ピングを変化させることにより、開口合成中にその自己相関関数を変化させ、異なるサイドローブ構造を伴う異なる自己相関関数を一緒に合計することにより、これらのサイドローブの相対振幅を低減させるであろう。ピングを変化させることにより、開口合成中に、雑音が局所的に定在波ではなく、代わりに破壊的に干渉するように、２つの下位構成要素ピング間の相互相関関数を変化させる。

（高被覆率ＳＡＳ）
ある実施形態では、本開示は、長さＬの実アレイを作成するように合体する、サイズｄのＮ個の要素を伴う実アレイを用いた合成開口ソナー用のデバイスに関する。位相中心近似により、要素の有効位置は、伝送機と受信機の真ん中にあり、有効アレイ長をＬ／２にする。この有効アレイは、図１１Ａ−Ｃに示されるように、仮想アレイと呼ばれるであろう。いくつかの実施形態では、直交信号を伝送する、２つの垂直に変位された伝送機が使用される場合、２つの垂直に変位された仮想アレイを作成し、干渉法を行うことが可能であり得る。垂直に変位された伝送機の一実施例は、その内容がそれらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる、「Ｍｕｌｔｉ−ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ」と題された、米国特許第８，１５９，３８７号で説明される。

いくつかの実施形態では、Ｍ個の垂直に変位された伝送機が使用される場合、Ｍ個の仮想アレイを作成することが可能である。いくつかの実施形態では、Ｌで離間した、２つの水平に分離された伝送機が使用される場合、Ｌの有効アレイ長を車両に与える、２つの隣接した仮想アレイを作成することが可能である。多重伝送機アレイの一実施例は、その内容がそれらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる、「ＳｙｎｔｈｅｔｉｃＡｐｅｒｔｕｒｅＳｉｄｅ−ＬｏｏｋｉｎｇＳｏｎａｒＡｐｐａｒａｔｕｓ」と題された、米国特許第５，２９５，１８８号で説明される。場合によっては、ＳＡＳは、この有効アレイ長を達成するために、受信アレイから離れて設置された２つの伝送機を使用してもよい。アレイ長を倍増させることが、概して、ＳＡＳの面積被覆率を倍増させるため望ましい。（車両がピング間の１つの有効アレイ長を移動するため、アレイ長が倍増する場合、ソナーの範囲が倍増する。ロボットがそのピング速度を維持する場合、後続のピングのための適所にあるために、その速度を倍増させなければならない。いずれの場合も、被覆率が倍増する。）
発明者らは、Ｌで離間したアレイから離れて一対の伝送機を設置することにより、Ｌの有効ソナーアレイ長（Ｌ／２の有効アレイ長を有する従来技術のシステムよりも大きい）をもたらすことを認識している。伝送機は、典型的には、受信アレイ上のいずれかの側に設置された場合、ＬではなくＬ＋Ｄで離れるため、アレイから離れて設置される。この間隔は、欠落した要素を有し得る、仮想アレイをもたらし、格子サイドローブをもたらす。

発明者らの方法は、伝送機のより融通の利く設置を可能にし、より小さいパッケージで、より大きい面積被覆率を可能にする。本方法は、非同期的に発射される直交信号とともに複数の伝送機を使用することと、隣接する仮想アレイを形成するように遅延および車両平行移動を使用することとを含む。サイズｄのＮ個の要素の単純アレイについては、アレイのいずれかの側にサイズｄの伝送機を伴って、図１１Ａ−Ｃに示されるように、前方伝送機が最初に伝送し始め、その後に、車両がｄ／２を前方移動するにつれて遅延が続き、次いで、後方伝送機が発射し始める。技術的な理由で、伝送機が異なる間隔を有する場合、それに従ってタイミングが調整されてもよい。

いくつかの実施形態では、本方法は、車両に沿って設置された多数の伝送機を可能にする。例えば、（３Ｌの全長について）Ｌで離間した４つの伝送機が使用された場合、有効アレイ長は、２Ｌであり、本システムの面積被覆率は、基準ＳＡＳの４倍になる。いくつかの実施形態では、アレイを延長するために、Ｍ個の伝送機が使用される場合、面積被覆率は、基準被覆率のＭ倍まで増加する。同様に、複数対（より大型の複数組）の垂直に変位された伝送機が、より長い干渉アレイを作成するように追加されてもよい。分離された進路に沿った伝送機を同一の垂直位置に設置することができず、平行であるが同一線上にない仮想アレイをもたらす場合、垂直変位を補正するために、グレージング角補償を使用することができる。伝送機によって使用される直交信号をピングによって変化させることにより、望ましくあり得る雑音抑制をさらに低減させ得る。ある実施形態では、アレイを延長するように、ほぼ同時にチャネルを発射することが望ましくあり得る。そのような実施形態では、プロジェクタが、０（例えば、受信機アレイの先端部）およびＬ＋ｗ（例えば、受信機アレイの後端部）に、ならびにｋが整数であり、ｄｅｌｔａが何らかの許容変動である約（ｋ＋／−ｄｅｌｔａ）^＊Ｌにおいて他の場所に配置されてもよい。デルタは、底部跳ね返りの前の時間よりも少ない遅延に対応する。

図１０は、本開示の例示的実施形態による、そのような多重伝送機配列を有するＳＡＳシステムからパルスを伝送するためのプロセス１０００を描写する。プロセス１０００は、各々幅ｗを有する、複数の受信機要素および２つの伝送機要素を伴う受信機アレイを有する、トランスデューサアレイを提供することから始まる（ステップ１００２）。ある実施形態では、伝送要素は、図１１Ａ−Ｃで描写されるアレイ等の受信機アレイのいずれかの側に、かつ受信機アレイの軸に沿って配置される。車両が前方方向に移動するように、伝送機Ｔ１が、後方位置に配置されてもよく、伝送機Ｔ２が、前方位置に配置されてもよい。伝送機Ｔ２が、最初にピング発射してもよく（ステップ１００４）、その後、車両が、進路に沿って、かつＴ１およびＴ２を接続するアレイ軸に沿って移動してもよい（ステップ１００６）。ソナーシステム１００は、ソナーアレイが距離ｗ／２を移動したか否かを決定してもよい（ステップ１００８）。いったんソナーシステム１００がそのような距離を移動すると、Ｔ１のピングがＴ２の以前のピングに直交しているように、伝送機Ｔ１がピング発射してもよい（ステップ１０１０）。次いで、車両は、進路に沿って移動してもよく（ステップ１０１２）、ソナーシステム１００は、進んだ距離がｗ／２に等しいか否かをもう一度問い合わせてもよい（ステップ１０１４）。そのような距離が横断された場合、プロセス１０００がステップ１００４から繰り返されてもよく、Ｔ２が再度ピング発射してもよい。幅ｗの伝送機がアレイからさらに離間された場合には、遅延はわずかに大きくなる必要があるであろう。

（複数のＳＡＳ伝送機との重複）
水中でのソナーの最大範囲は、典型的には、音が標的まで進行し、次の伝送前に戻ることができる距離として定義される。しかしながら、次の伝送後、事前ピングが水を通って伝搬し続ける。事前ピングを使用することが可能である場合には、ソナーの範囲および／またはソナーの面積被覆率が増加させられてもよい。合計Ｎ個のピング（Ｎ−１個の事前ピング）が完全に使用される場合には、面積被覆率は、Ｎという因数だけ増加させられてもよい。

残念ながら、（一定の標的強度を仮定すると）遠隔エコーは、より近いエコーよりも弱い。直交信号を使用することによって、信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させることが可能であり得るが、伝送機が伝送している間に受信することは、依然としてほぼ不可能となるであろう。Ｒの古典的範囲を伴うシステムについては、これは、Ｒをちょうど越えた範囲でエコーを観察することが（ほとんど）常に不可能であり得ることを意味する。

したがって、さらに別の側面では、本開示は、同一の範囲および位相中心位置からデータを回収する複数の機会を提供し、これらの観察のうちの少なくとも１つが妨害されないことを確実にするよう、離間され、新規の順序で発射される、複数の伝送機を追加することによる、このＳＮＲ問題の解決法に関する。いくつかの実施形態では、Ｎ個の分離された伝送機が、仮想アレイの範囲をＮだけ増加させるために使用されてもよい。

一実施例では、ｄｔ＝Ｌ／２Ｖのピング間遅延を伴う速度Ｖ（Ｖ^＊ｄｔ＝Ｌ／２、Ｒ＝ｃ／２^＊ｄｔ＝ｃＬ／４Ｖ）において、長さＬおよび最大古典的ＳＡＳ範囲Ｒを伴うアレイを考慮されたい。伝送機は、ｘ＝０、ｘ＝０．２５Ｌ、ｘ＝０．６Ｌにあると仮定されたい（ゼロが船首上であり、後方に移動して距離が増加する）。第２の伝送機が第１の伝送機と同一の仮想アレイを形成するために、車両がそれを配置するように十分に移動する（約０．２５ｄｔに対応する）まで、発射を遅延させなければならない。同様に、第３の伝送機が使用される場合、０．６ｄｔで遅延させられなければならない。伝送機１および２を使用してピング１が形成され、伝送機１および３を使用してピング２が形成され、伝送機２および３を使用してピング３が形成され、次いで、シーケンスが繰り返されると仮定されたい。次いで、発射シーケンスタイミングは、以下のように、
伝送機１：［０，１，ｏｆｆ，３，４，ｏｆｆ，．．．．］^＊ｄｔ
伝送機２：［０．２５，ｏｆｆ，２．２５，３．２５，ｏｆｆ，５．２５，．．．．］^＊ｄｔ
伝送機３：［ｏｆｆ，１．６，２．６，ｏｆｆ，４．６，５．６，．．．．］^＊ｄｔ
であってもよい。

したがって、全てのピング時間の組み合わせは、［０，０．２５，１，１．６，２．２５，２．６，３，３．２５，４，４．６，５．２５，５．６，ｅｔｃ］^＊ｄｔである。伝送機１および２は各々、ピング位置１のための仮想アレイを形成する。妨害が将来のピングによって引き起こされるため、仮想アレイ１ピング１が、［０．２５，１，１．６，２．２５，２．６，３，３．２５，４，４．６，５．２５，５．６，ｅｔｃ］^＊Ｒといった範囲で妨害される。仮想アレイ２ピング１が、（［１，１．６，２．２５，２．６，３，３．２５，４，４．６，５．２５，５．６，ｅｔｃ］−．２５）^＊ｄｔ＝［．７５，１．３５，２，２．３５，２．７５，３，３．７５，４．３５，５，５．３５，ｅｔｃ］^＊Ｒといった範囲で妨害される。

仮想アレイ１が０．２５Ｒで妨害されるが、仮想アレイ２が妨害されないため、仮想アレイ２の信号が、これらの中間範囲に使用される。仮想アレイ２が０．７５Ｒで妨害されるが、仮想アレイ１が妨害されないため、仮想アレイ１の信号がそこで使用される。両方のアレイが２Ｒで妨害されるため、したがって、最大非妨害範囲である、２Ｒの妨害されていない観察を得ることは可能ではない。両方のアレイが妨害される範囲（融合信号が妨害される範囲）は、［３，６，９，１２ｅｔｃ］^＊Ｒである。同様に、第２のピングは、伝送機１および３によって形成される仮想アレイを使用し、第３のピングは、アレイ２および３を使用する、等である。信号は、以降のピングについても同様に組み合わせられる。信号をピングによって変化させることにより、雑音抑制をさらに低減させる。

トランスデューサ／プロジェクタ間隔は、０、０．２５^＊Ｌ、および０．６^＊Ｌであるものとして上記で説明されたが、システム１００は、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の好適な発射シーケンスを有し、任意の好適な間隔で配置された任意の数のプロジェクタを含んでもよい。概して、システム１００は、パターンを繰り返すことによって、またはランダムであり得る新しいシーケンスを生成することによってのいずれかで、重複を複数の進路に沿ったプロジェクタと組み合わせてもよい。別の実施例として、システム１００は、０、０．２５^＊Ｌ、０．４１４２^＊Ｌ、０．６^＊Ｌ、および０．７３２１^＊Ｌに配置された５つのプロジェクタのアレイを含んでもよい。位置０．４１４２^＊Ｌは、［ｓｑｒｔ（２）−１］^＊Ｌに対応し、位置０．７３２^＊Ｌは、［ｓｑｒｔ（３）−１］^＊Ｌに対応する。そのような実施例では、発射シーケンスは、以下のように、
伝送機１：［０，１，２，３，ｏｆｆ，５ｅｔｃ．］^＊ｄｔ
伝送機２：［０．２５，１．２５，２．２５，ｏｆｆ，４．２５，５．２５，ｅｔｃ．］^＊ｄｔ
伝送機３：［０．４１４２，１．４１４２，ｏｆｆ，３．４１４２，４．４１４２，５．４１４２，ｅｔｃ．］^＊ｄｔ
伝送機４：［０．６，ｏｆｆ，２．６，３．６，４．６，５．６，ｅｔｃ．］^＊ｄｔ
伝送機５：［ｏｆｆ，１．７３２１，２．７３２１，３．７３２１，４．７３２１，ｏｆｆ，ｅｔｃ．］^＊ｄｔ
であってもよい。

（ホログラフィック同時局所化およびマッピング（ＳＬＡＭ））
少なくとも１つの画像が合成開口に由来することを要求することによる、ＡＵＶ用の古典的なホログラフィックナビゲーションは、真のＳＬＡＭ（同時局所化およびマッピング）解決法を可能にしない。これは、実開口画像が合成開口画像と相関させられたときに、位置推定値更新が平均の１であり、推定値を個々の状態に単離できないためである。

一側面では、本開示は、ホログラフィックナビゲーションのために少なくとも１つの合成開口画像または準ホログラムを必要とするという上記の要件を除去する方法に関する。いくつかの実施形態では、観察位置を接続する領域が画定され、例えば、「相関チューブ」を形成することによって、実開口相関を可能にするような方法で使用される。理想ソナーが導入され、チューブの内側で相関性能を向上させる。いくつかの実施形態では、新しい操作方法が、典型的な調査ソナーがそのナビゲーションを向上させるために相関チューブを使用することを可能にする。

前述のように、概して、一連の角度にわたって画定されるホログラムが、（周波数制限、閉塞等のいくつかの制約を受けて）その一式の角度内の全ての可能な画像を含有するため、ホログラフィックナビゲーションが機能する。実開口画像が合成開口画像に対して相関させられたとき、相関プロセスは、実開口画像が発生した準ホログラム内の位置を透過的に識別する。実開口ソナーは、１つの見晴らしの利く地点から各物体を見て、かつ一式の異なる見晴らしの利く地点から一式の物体を見るが、準ホログラムは多面記録であるため、相関が機能する。２つの実開口画像が比較されたとき、以前は不可能であると仮定されたが、２つのソナーを接続する線に沿った標的のみを相関させることができる。２つのソナーと同一線上にある特徴の割合が例外的に小さいため、およびその線を外れた領域からの相関結果が雑音であるため、相関の結果として生じる信号対雑音比は、ゼロに近い。

いくつかの実施形態では、上記の方法は、予備ナビゲーション推定値と、実開口アレイと、「相関チューブ」とを組み合わせることによって、この問題を解決する。いくつかの実施形態では、ＡＵＶが、事前観察を行ったときのその位置の合理的に正確な推定値を有する場合、２つの位置を接続する合理的に正確なベクトルを画定することができる。実開口アレイを使用して、ソナーは、そのベクトルの方向に沿って、いずれかの位置において受信される信号を操縦することができる。正しい相関方向に両方のビームを形成することによって、信号対雑音比が相当に向上する。

いくつかの実施形態では、実開口ソナーは、近接場にあるとともに、誤った情報を用いることなくビームを形成することが可能であるほど十分に長い（「雑音がない」と呼ぶ衝動があるが、当然ながら、依然として環境雑音源にさらされるであろう）。例えば、アレイの舷側ベクトルに沿った距離Ｄによって分離される、長さＬの２つの平行アレイを考慮されたい。分離距離におけるアレイの分解能が、アレイの長さより小さい場合には、アレイは、非重複方位を伴う領域からエネルギーを「遮断」するのに十分な分解能を有する（数学的には、これは近接場制約に非常に類似する）。波長λを仮定し、小角度仮定を立てると、アレイの角分解能は、ΔΘ＝λ／Ｌであり、範囲を横断した分可能は、Δｘ＝ｒΔΘ＝ｒλ／Ｌである。Δｘ＜Ｌまたはｒλ／Ｌ＜Ｌを所望するため、本技法は、ｒ＜Ｌ^２／λであるときに、最も良好に機能する。ｒとＬとの間の非線形関係は、アレイ長が増大するにつれて、最大範囲が急速に増加することを意味する。Ｌ≒０．５０ｍおよびλ≒０．０１ｍである、ほとんどの既存の合成開口ソナーについては、最大範囲は、約２５ｍである。Ｌ＝２．５ｍおよびλ＝０．００８３ｍである、いくつかの実施形態では、最大範囲は、約７５３ｍ、または２５０ｍという意図された調査範囲の３倍である。より一般的には、ビーム幅φを考慮すると、範囲制約は、ｒ＜ｃｏｓ^２φＬ^２／λとなる。例示的実施形態によれば、ビーム幅制約に従って設計されたシステムは、性能劣化を伴わずに、舷側からの相関チューブを使用することができる。

図１２は、本開示の例示的実施形態による、実開口ソナー画像を使用した同時局所化およびマッピング（ＳＬＡＭ）のためのプロセスを描写する。車両上のソナーシステム１００は、車両によって横断されている地形の一部分の第一の実開口音響データを受信してもよい（ステップ１２０２）。ソナーシステム１００（例えば、ＣＣＵ１６０）は、第１の実開口画像が取得された位置を表す、第１の位置推定値を受信してもよい（ステップ１２０４）。場合によっては、位置推定値および第１のデータ（または画像）が、地形を横断するのと同一の車両によって、（同一の使命または前の使命のいずれかで）先験的に取得されていてもよい。他の場合において、位置推定値および第１のデータ（または画像）は、地形を横断する別の車両によって（同一の時間または異なる時間に）取得されていてもよい。両方の車両が、同時に地形を横断し、相互と通信していてもよい。画像を受信する車両が、現在の位置まで移動されてもよい（ステップ１２０６）。現在の位置で、車両は、現在の位置を表す第２の位置推定値を受信してもよい（ステップ１２０８）。次いで、ソナーシステム１００は、第１の位置推定値および第２の位置推定値を接続する相関軸（または相関チューブ）を決定してもよい（ステップ１２１０）。相関は、現在の位置で車両のビーム形成の方向を決定してもよい。ソナーシステム１００は、地形に高周波の音波を当て、現在の位置から地形の第２の実開口画像を生成してもよい（ステップ１２１２）。ソナーシステム１００のビームフォーマ１３４は、受信された音響信号が、地形に向かって、かつ相関軸またはチューブに沿って方向付けられるように、受信信号を操縦してもよく（ステップ１２１２）、それにより、現在の位置における車両が、第１の実開口画像が取得された方向と同一の軸に沿って、地形を視認することを可能にする。

ほとんどの合成開口ソナーが、調査を行うために使用される。ほとんどの調査は、芝刈り機パターンを辿る。芝刈り機パターンを使用して調査するとき、（完全被覆率を確保するように）隣接通過を重複させることは典型的であるが、その重複は、（間違ったスペクトル配向を有するため）ホログラフィックナビゲーションには好適ではない。ソナーが最大有効範囲Ｒを有すると仮定すると、帯状の部分は、典型的には、２Ｒで離間させられ、ホログラフィックナビゲーションのために正しく配向される隣接調査区間からの画像の一部分は、２Ｒから３Ｒの間の範囲に存在する。本明細書のシステムのソナー設計は、基準動作範囲の３倍で正しい相関を可能にするため有利である。

いくつかの実施形態では、（画像を見るように巡回することなく）遠隔ソナー画像に対してナビゲートする複数の方法があってもよい。１つのそのような方法は、ソナーシステム１００等のＳＡＳと、車両を１／３速度まで減速することとを含んでもよく、次いで、範囲を３倍にし、ホログラフィックナビゲーション固定を可能にするであろう。概して、車両は、所望量だけ範囲を増加させるように好適な任意の量で減速させられてもよい。別の方法は、二重周波数システムを含むことであり、１つの周波数が、継続的に地図を描く一方で、別の周波数は、（地図を描くための）通常ピング速度と（遠隔領域を観察するための）１／３ピング速度とを交互に繰り返す。第３の方法は、直交信号のシーケンスを使用することであってもよい。遠隔エコーが、より近いエコーに対して十分に直交している場合、それらを相関およびナビゲーション更新に使用することができる。長距離での撮像と違って、全ての範囲（他の伝送によりＳＮＲが不良である部分を含む）で得られた信号を使用することは必要ではない。概して、「十分に良好な」ＳＮＲを伴う範囲領域のみを使用することが十分である。事前通過に対して相関させるとき、多くの異なる事前ロボット位置を通してビームを操縦し、多くの異なる測定値を生じさせることが可能である。後処理で使用されると、これは、正確な地図をもたらすことができるが、いくつかの実施形態では、限定された一式のビームがリアルタイムで処理されてもよい。

（ＳＡＳのバイスタティックおよびモノスタティックギャップ充填）
合成開口ソナーは、近「最下点」体制で（車両の真下で）うまく機能しない。これは、水平距離に対する範囲の偏導関数が、ソナーの真下で約ゼロであり得るためである。

前述の問題に対する２つの従来の解決法がある。第１は、車両の真下で撮像するために実開口ソナーを使用することである。しかしながら、調査ソナー範囲が増加するにつれて、概して、より高い高度から調査する必要があり、実開口ギャップ充填機の分解能を、概して、所与の開口について劣化させる。これは、増加した範囲による減少した空間分解能、ならびに範囲および吸収により、より低い周波数／より長い波長を使用する必要があるといった、２つの効果によるものである。たとえ開口を増加させることができても、長距離調査ソナーのための現実的な高度で、ＳＡＳ分解能に近づく分解能を得ることは不可能である。

出願者らは、バイスタティックに相互の伝送を聞き、撮像することができるよう配置される、複数のソナー車両を使用することによって、この問題を解決する。バイスタティック画像は、いずれかの車両の下でＳＡＳレベル分解能、および車両間のギャップにおいて不良な分解能を有する。ＳＡＳ画像およびバイスタティックＳＡＳ画像を融合することによって、非常に高い分解能の地図を有することが可能である。

ある実施形態では、長距離車両が、より小型の車両と併せて使用されてもよい。そのような実施形態では、撮像に使用される長距離車両は、その下に非常に大きいギャップを含んでもよい。次いで、第２のより小型の車両は、大型車両のギャップを撮像するために特異的に使用されてもよい。第２の車両は、同じ進路線だが、大型車両の下を飛行してもよい。

ある他の実施形態では、車両が、より高い高度で使用され、ソナーの範囲に相当するギャップを車両の下に作成してもよい。そのような実施形態では、後続区間が、最小の無駄を伴って、前の区間のギャップを充填するように、次いで、１つ以上の隣接使命区間が飛行される。この設計は、従来のＳＡＳよりも急なグレージング角を仮定するが、合成開口レーダ（ＳＡＲ）にとって、より典型的と見なされるであろう。上記で説明される、グレージング角補償／ホログラフィックナビゲーションの視点から、グレージング角の低減した範囲が有益であり得る。

（受動相対的局所化）
複数の車両が調査を行うとき、使命にわたって生じる慣性ナビゲーション誤差に対処するよう、それらの調査領域を重複させることが必要である。（これは、長基線または超短基線等の事前配備された標識ネットワークがない未知の領域を仮定する。）慣性ナビゲーション誤差が時間とともに増大するため、長い使命にわたって大幅なドリフトがあり得る。この大きなドリフトは、大きな重複を必要とし、ソナーの正味面積被覆率を大幅に減少させる。代わりに、車両が、緊密な編隊で飛行することができる場合には、その重複を低減させることができ、大きな誤差は、編隊によって撮像される領域の縁のみで発生する。

車両がそれらの編隊を維持するための１つの方法は、標識システムを使用することによるものである。機内超短基線ナビゲーションシステムを使用して、別の車両までの範囲および方角を測定することが可能である。しかしながら、これは、付加的なシステムを必要とする。

代わりに、発明者らは、車両（合成開口ソナーアレイおよびシステム１００を有すると仮定される）が、その実開口ソナーを使用して、他の車両からの伝送を受動的に聞く、低減を提案する。受信された信号を使用して、それは、（範囲ではなく）他の車両までの方角を測定してもよい。ほとんどのＳＡＳは、ピングが車両の知覚された位置に基づいて時期を合わせられることを意味して、「速度に従属する」ため、範囲を受動的に測定することは困難である。到着時間に基づいて範囲を受動的に推定するために、スキームが使用されてもよいが、ＳＡＳピングタイミングのランダムな構成要素により、これが望ましくなくなる。

本明細書において説明される方法およびシステムは、相互に対して車両を受動的にディザリングし、ナビゲーションフィルタにおいてデータを融合することによって、範囲を測定する。例えば、ゆっくりドリフトする慣性ナビゲーションシステムと並行して飛行する２つの車両を考慮されたい。それらが、各々２ｍ／ｓの基礎調査速度を有すると仮定されたい。５分間にわたって、車両＃１が２．０５ｍ／ｓで飛行し、車両＃２が１．９５ｍ／ｓで飛行し、位置の３０ｍの変化をもたらすと仮定されたい。車両が３００ｍ離れている場合、これは、位置の５．６度の変化に対応し、それらが３１０ｍだけ離れている場合、これは、５．８度の変化に対応し得る。０．００８ｍの波長を有する２．５ｍアレイは、０．１８度の角分解能を有し、１０ｍの範囲変動を観察可能にする。

本明細書において説明される方法およびシステムの代替的なインスタンス化では、車両は、範囲を推定するように、他の車両上の時限ピンガを受動的に聞く。車両に内蔵したフィルタが、クロックドリフトを推定する。ディザリングは必要ではないが、受動ピンガを聞く場合、ディザリングがクロックドリフトをより観察可能にする。

（圧力および物質補償）
別の側面では、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、外圧、または物質、例えば、石油補償バッテリへの暴露から、電気または電子構成要素を保護する、デバイスに関する。いくつかの実施形態では、本デバイスは、１つ以上の電気構成要素を包囲する、導電体および１つ以上の電気絶縁体の両方でできた筐体を含む。この構造は、格納された電気構成要素の完全性または動作に悪影響を別様に及ぼすであろう、外部静水圧または他の力を支持するように設計されてもよい。いくつかの実施形態では、本デバイスは、限定されないが、Ｏリング、ガスケット、接着剤、または部品間の機械的干渉圧入を含む、従来の方法によって、液体またはガスの侵入に対して密閉されてもよい（例えば、以下の図１３Ａおよび１３Ｂの詳細を参照）。また、バネまたはワイヤ等の別個の構成要素であろうと、筐体構成要素自体の一体機械的特徴であろうと、格納された電気構成要素の端子と筐体の導電性部分との間で電気接触を行う、電気接触構造があってもよい。

図１３Ａおよび１３Ｂは、そのようなデバイス１３００の例示的実施形態を示す。このデバイスの実施形態は、円筒形の電気ヒューズまたは任意の他の電気構成要素１３０２に印加される外部静水圧に抵抗するように、筐体を形成する。筐体は、剛性絶縁材料でできている中央セクション１３０４、導電性金属でできている２つの端部キャップ１３０６ａおよび１３０６ｂ（集合的に「１３０６」）、２つのＯリングシール１３１０、および１つ以上の導電性バネ１３０８で構築される。筐体は、端部キャップ１３０６およびバネ１３０８が、格納されたヒューズまたは他の電気構成要素の各端子までの伝導性経路を形成するように、図１３に示されるように組み立てられる。任意の他の伝導性材料が、本開示の範囲から逸脱することなく、バネ１３０８に加えて、または代替として、バネ１３０８とともに使用されてもよい。例えば、そのような伝導性材料は、金網、伝導性液体、または伝導性発泡体を含んでもよい。筐体の幾何学形状は、筐体の外部寸法が、格納されたヒューズまたは他の電気構成要素よりも大きい円筒形ヒューズまたは他の電気構成要素の標準寸法と同等であるように構築される。本デバイス／筐体は、１つまたは１つよりも多くの電気構成要素を収納するように構成されてもよい。ある実施形態では、複数の電気構成要素が、筐体内で並列または直列に設置されてもよい。

本明細書において説明されるシステムおよび方法は、Ｕｎｉｘ（登録商標）システム等の従来のデータ処理システム上で動作するソフトウェア構成要素として実現されてもよい。その実施形態では、これらの機構は、Ｃ言語コンピュータプログラム、あるいはＭａｔｌａｂ、Ｃ＋＋、Ｆｏｒｔｒａｎ、Ｊａｖａ（登録商標）、またはＢＡＳＩＣを含む、任意の高水準言語で書かれたコンピュータプログラムとして実装することができる。加えて、マイクロコントローラまたはＤＳＰが採用される実施形態では、マッピング機構は、マイクロコードで書かれ、または高水準言語で書かれ、採用されるプラットフォーム上で実行することができるマイクロコードにコンパイルされるコンピュータプログラムとして実現することができる。そのようなデータ処理システムの開発は、当業者に公知であり、そのような技法は、ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｗｉｔｈｔｈｅＴＭＳ３２０Ｆａｍｉｌｙ，ＶｏｌｕｍｅｓＩ，ＩＩ，ａｎｄＩＩＩ，ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（１９９０）に記載されている。加えて、高水準プログラミングのための一般的技法が公知であり、例えば、ＳｔｅｐｈｅｎＧ．Ｋｏｃｈａｎ，ＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｉｎＣ，ＨａｙｄｅｎＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇ（１９８３）に記載されている。ＤＳＰは、コントラスト、エッジ解像力、および輝度の調整を通した画像処理等の前処理機能を含む、信号処理機能を実装するために特に適していることに留意されたい。ＤＳＰおよびマイクロコントローラシステムのためのコードを開発することが、当技術分野で周知である原理から得られる。本システムはまた、当業者に公知であるように、一群の関連問題に対する解決法のための設計を具現化する、一式の部類として概して理解される、オブジェクト指向フレームワークを提供し、かつそれを可能にする。ＴｈｅＣ＋＋ＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇＬａｎｇｕａｇｅ，２ｎｄＥｄ．，ＳｔｒｏｕｓｔｒｕｐＡｄｄｉｓｉｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙを参照されたい。したがって、作業マッピングおよびフィルタリングプログラムのプレハブ構造またはテンプレートを提供する、マッピングおよびフィルタリングのためのフレームワークが作成されてもよい。

説明されるものの変形例、修正、および実装が、本明細書において説明されるシステムおよび方法の精神および範囲から逸脱することなく、採用されてもよい。例えば、本システムおよび方法は、ソナー信号を使用する水中マッピングおよびナビゲーションとの関連で説明されるが、本システムおよび方法は、空中あるいは他の陸上または宇宙ベースの地形で地図を描き、ナビゲートするために等しく適用可能であり得、他の撮像技法を使用することは、レーダ、光信号、および任意の音響または電磁信号を含む。また、上記で説明される、または参照することにより組み込まれる、方法およびシステム特徴のうちのいずれかは、本明細書で開示される、または参照することにより組み込まれる、任意の他の好適な方法またはシステム特徴と組み合わせられてもよく、考慮されるシステムおよび方法の範囲内である。本システムおよび方法は、その精神または本質的な特性から逸脱することなく、他の具体的形態で具現化されてもよい。したがって、先述の実施形態は、本明細書において説明されるシステムおよび方法を限定するよりもむしろ、あらゆる点で例示的と見なされるものである。

Claims

水中地形を横断する水中車両のナビゲーション位置を決定するための方法であって、該方法は、
水中車両によって横断されている水中地形の一部分についての高周波数合成開口画像を含む地図を受信することであって、該地図は、第１の高周波数範囲内の音響データを含み、該音響データは、該水中地形の一部分についての合成開口ソナー（ＳＡＳ）撮像から取得される、受信することと、
第１の位置値を予測することであって、該第１の位置値は、該水中地形についての該地図における該水中車両の場所を表す、予測することと、
第２の高周波数範囲内の音響信号を用いて該水中地形の一部分に高周波の音波を当てることによって、該水中地形の一部分についての実開口画像を生成することであって、該第２の高周波数範囲は、該第１の高周波数範囲と少なくとも部分的に重複する、生成することと、
グレージング角不変の実開口画像を生成するようにグレージング角誤差を補償すること、および該グレージング角不変の実開口画像の中の位相誤差を補正することによって、該実開口画像を修正することと、
該修正された実開口画像を該地図とコヒーレントに相関させることと、
該コヒーレント相関に基づいて該第１の位置値を更新することと
を含む、方法。
前記第１および第２の高周波数範囲は、１００ｋＨｚよりも大きい最小周波数を含む、請求項１に記載の方法。
前記第２の高周波数範囲は、前記第１の高周波数範囲のサブセットである、請求項１に記載の方法。
前記第１の高周波数範囲と前記第２の高周波数範囲との間の前記重複は、前記グレージング角補償実画像の周波数範囲がグレージング角誤差を補償するように修正されたときに、該地図の周波数範囲と少なくとも部分的に重複するように潜在している、請求項１に記載の方法。
実開口画像を生成することは、複数の実開口画像を含み、該複数の実開口画像の各々は、前記水中地形の一部分のサブセットを表す、請求項１に記載の方法。
前記複数の実開口画像の各々の中の前記位相誤差は、実質的に一定である、請求項５に記載の方法。
位相誤差を補正することは、
前記画像を複数の下位領域に分割することであって、各下位領域は、実質的に一定の範囲変動位相誤差を有する、分割することと、
各下位領域に対する該範囲変動位相誤差を推定することと、
該画像の各下位領域を該対応する位相誤差に対して補正することによって、該画像を修正することと
を含む、請求項１に記載の方法。
前記実開口画像を修正することは、範囲変動位相誤差を推定することと、該推定された範囲変動位相誤差に基づいて第１の補正を適用することとを含む、請求項１に記載の方法。
前記範囲変動位相誤差を推定することは、位相値をアンラップすること、最小二乗適合を適用すること、および高速フーリエ変換を適用することのうちの少なくとも１つを含む、請求項８に記載の方法。
前記更新された第１の位置に基づいて、前記水中車両の航行方向を決定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記第１の位置を予測するステップ、前記実開口画像を生成するステップ、該実開口画像を修正するステップ、該実開口画像をコヒーレントに相関させるステップ、および該第１の位置を更新するステップを繰り返すことをさらに含み、該第１の位置は、以前の繰り返しからの該更新された第１の位置を含む、請求項１に記載の方法。
前記第１の位置値は、全地球測位システム（ＧＰＳ）推定、慣性誘導システム、コンパス、および加速度計のうちの少なくとも１つを使用して計算される、請求項１に記載の方法。
前記地図は、グレージング角不変の地図を生成するようにグレージング角誤差を補償することによって修正される、請求項１に記載の方法。
前記水中車両は、自律水中車両（ＡＵＶ）を含む、請求項１に記載の方法。
前記水中地形は、海底の少なくとも一部分を含む、請求項１に記載の方法。
水中地形においてナビゲートするためのシステムであって、該システムは、
水中車両によって横断されている水中地形の一部分についての高周波数合成開口画像を含む地図を受信するための地図記憶装置であって、該地図は、第１の高周波数範囲内の音響データを含み、該音響データは、該水中地形の一部分の合成開口ソナー（ＳＡＳ）撮像から取得される、地図記憶装置と、
該水中地形の一部分についての実開口画像を生成するためのトランスデューサアレイであって、該生成することは、第２の高周波数範囲内の音響信号を用いて該水中地形の一部分に高周波の音波を当てることによって行われ、該第２の高周波数範囲は、該第１の高周波数範囲と少なくとも部分的に重複する、トランスデューサアレイと、
グレージング角誤差を補償すること、およびグレージング角不変の画像を生成することによって該実開口画像を修正するためのグレージング角補償器と、
位相誤差を補正するように該グレージング角不変の画像を修正するための位相誤差補正器と、
該修正された実開口画像を該地図とコヒーレントに相関させるための信号相関器と、
中央制御ユニットであって、該中央制御ユニットは、
第１の位置値を予測することであって、該第１の位置値は、該水中地形の該地図における該水中車両の場所を表す、ことと、
該コヒーレント相関に基づいて該第１の位置値を更新することと
を行うためのものである、中央制御ユニットと
を備える、システム。
水中地形を横断する水中車両のナビゲーション位置を決定するための方法であって、該方法は、
水中車両によって横断されている水中地形の一部分の合成開口画像を含む地図を受信することであって、該地図は、第１の高周波数範囲内の音響データを含み、該音響データは、該水中地形の一部分の合成開口ソナー（ＳＡＳ）撮像から取得される、ことと、
第１の位置値を予測することであって、該第１の位置値は、該水中地形の該地図における該水中車両の場所を表す、ことと、
該水中地形の一部分の合成開口画像を生成することであって、該生成することは、第２の周波数範囲内の音響信号を用いて高周波の音波を該水中地形の一部分に当てることによって行われ、該第２の周波数範囲は、該第１の周波数範囲と少なくとも部分的に重複する、生成することと、
グレージング角不変の合成開口画像を生成するようにグレージング角誤差を補償すること、および該グレージング角不変の合成開口画像の中の位相誤差を補正することとによって、該合成開口画像を修正することと、
該修正された合成開口画像を該地図とコヒーレントに相関させることと、
該コヒーレント相関に基づいて該第１の位置値を更新することと
を含む、方法。
水中地形を横断する水中車両のナビゲーション位置を決定するための方法であって、該方法は、
水中車両によって横断されている水中地形の一部分についての合成開口画像を含む地図を受信することであって、該地図は、第１の高周波数範囲内の音響データを含み、該音響データは、該水中地形の一部分の合成開口ソナー（ＳＡＳ）撮像から取得される、ことと、
第１の位置値を予測することであって、該第１の位置値は、該水中地形の該地図における該水中車両の場所を表す、受信することと、
該水中地形の一部分についての実開口画像を生成することであって、該生成することは、第２の周波数範囲内の音響信号を用いて高周波の音波を該水中地形の一部分に当てることによって行われ、該第２の周波数範囲は、該第１の周波数範囲と少なくとも部分的に重複する、生成することと、
グレージング角不変の実開口画像を生成するようにグレージング角誤差を補償すること、および該グレージング角不変の実開口画像内の位相誤差を補正することとによって、該実開口画像を修正することと、
該修正された実開口画像を該地図とコヒーレントに相関させることと、
該コヒーレント相関に基づいて該第１の位置値を更新することと
を含む、方法。
前記第１の周波数範囲および前記第２の周波数範囲のうちの少なくとも１つは、約１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである、請求項１８に記載の方法。
前記第１の周波数範囲および前記第２の周波数範囲のうちの少なくとも１つは、約８０ｋＨｚ未満である、請求項１８に記載の方法。
合成開口ソナー画像を生成する方法であって、該方法は、
合成開口ソナー（ＳＡＳ）アレイを提供することであって、該合成開口ソナー（ＳＡＳ）アレイは、第１の軸に沿って配列される少なくとも１つの伝送機要素および複数の受信機要素を有し、該伝送機要素および該受信機要素の各々は、第１の幅を有し、該伝送機要素は、複数の直交音響信号を有する第１の組の信号を生成するように構成されている、提供することと、
該ＳＡＳアレイの有効間隔を計算することであって、該ＳＡＳアレイの有効間隔は、移動中の該伝送機要素と該受信機要素との間の有効距離を表す、計算することと、
同時に、該第１の軸に沿って該ＳＡＳアレイを移動させ、該伝送機要素を使用して該第１の組の信号から第１の音響信号を生成することと、
該有効間隔が該第１の組の信号の中の音響信号の数によって除算されたものとして、閾値距離を計算することと、
該ＳＡＳアレイが該閾値距離を移動したという決定に応答して、該伝送機要素を使用して、第２の音響信号を該第１の組の信号から生成することであって、該第２の音響信号は、該第１の音響信号に直交している、生成することと
を含む、方法。
前記有効間隔は、前記第１の幅の約半分である、請求項２１に記載の方法。
第１の組の信号の中の１つ以上の音響信号は、１００ｋＨｚよりも大きい周波数を有する、請求項１に記載の方法。
第１の組の信号の中の１つ以上の音響信号は、約１００Ｈｚから約１００ｋＨｚまでの範囲における周波数を有する、請求項１に記載の方法。
前記ＳＡＳアレイは、固定速度で移動させられ、該ＳＡＳアレイが閾値距離を移動したか否かの決定は、時間遅延に基づく、請求項１に記載の方法。
第１の期間中に、ＳＡＳアレイは、第１の音響信号のみを伝送し、第２の期間中に、該ＳＡＳアレイは、該第１の音響信号および第２の音響信号の両方を伝送し、第３の期間中に、該ＳＡＳアレイは、該第２の音響信号のみを伝送する、請求項１に記載の方法。
第１の音響信号の持続時間は、第２の音響信号の持続時間と実質的に同様である、請求項１に記載の方法。
第１の組の信号の中の１つ以上の信号は、海中測定のために生成される短パルス音を含む、請求項１に記載の方法。
ＳＡＳアレイは、水中地形を撮像するための水中車両または水面車両のうちの少なくとも１つに設置される、請求項１に記載の方法。
ＳＡＳアレイは、陸上地形を撮像するための空中車両または陸上車両のうちの少なくとも１つに設置される、請求項１に記載の方法。
合成開口ソナー（ＳＡＳ）画像を生成する方法であって、該方法は、
合成開口ソナー（ＳＡＳ）アレイを提供することであって、該ソナーアレイは、第１の軸に沿って配列される少なくとも１つの伝送機要素および複数の受信機要素を有し、該伝送機要素および該受信機要素の各々は、第１の幅を有する、提供することと、
該第１の軸に沿って該ソナーアレイを移動させ、同時に、該伝送機要素を使用して、第１の持続時間を有する間隔で第１の組の音響信号、および第２の持続時間を有する間隔で第２の組の音響信号を生成することと
を含み、
該ソナーアレイは、移動中の該伝送機要素と該受信機要素との間の有効距離を表す第１の有効間隔を含み、
該第１の組の音響信号は、該第２の組の音響信号に直角であり、
該第１の持続時間および該第２の持続時間は、該第１の有効間隔が該第１の幅の２分の１未満であるように選択される、方法。
前記第１の持続時間および前記第２の持続時間は、前記第１の有効間隔が前記第１の幅の約４分の１であるように選択される、請求項３１に記載の方法。
第１の数の音響信号を生成することをさらに含み、前記第１の持続時間および前記第２の持続時間は、前記第１の有効間隔が、前記第１の幅が該音響信号の第１の数によって除算されたものの約２分の１であるように選択される、請求項３１に記載の方法。
合成開口ソナー（ＳＡＳ）画像を生成するためのシステムであって、該システムは、
第１の軸に沿って配列される少なくとも１つの伝送機要素および複数の受信機要素を有する合成開口ソナー（ＳＡＳ）であって、該伝送機要素および該受信機要素の各々は、第１の幅を有し、該伝送機要素は、複数の直交音響信号を有する第１の組の信号を生成するように構成されている、合成開口ソナー（ＳＡＳ）と、
プロセッサであって、該プロセッサは、
移動中の該伝送機要素と該受信機要素との間の有効距離を表す該ＳＡＳアレイの有効間隔を計算することと、
該第１の軸に沿って該ＳＡＳアレイを移動させ、同時に、該伝送機要素を使用して、該第１の組の信号から第１の音響信号を生成することと、
該有効間隔が該第１の組の信号の中の音響信号の数によって除算されたものとして、閾値距離を計算することと、
該ＳＡＳアレイが該閾値距離を移動したという決定に応答して、該伝送機要素を使用して、該第１の組の信号から第２の音響信号を生成することであって、該第２の音響信号は、該第１の音響信号に直交している、ことと
を行うように構成されている、プロセッサと
を備える、システム。
合成開口ソナー（ＳＡＳ）信号を生成する方法であって、該方法は、
ソナーアレイを提供することであって、該ソナーアレイは、
第１の軸に沿って配列された複数の受信機要素を備える受信機アレイであって、該受信機アレイは、第１の端部および第２の端部を含む、受信機アレイと、
第１の伝送機要素と、
第２の伝送機要素と
を有し、
該第１の伝送機要素、該第２の伝送機要素、および該複数の受信機要素は各々、第１の幅を有する、ことと、
該第２の伝送機要素を使用して、第１の位置において第１の音響信号を生成することと、
該受信機アレイの該第１の端部から該第２の端部までの方向に、該ソナーアレイを該第１の軸に沿って第２の位置まで移動させることであって、該第２の位置は、該第１の位置から該第１の幅の約２分の１の距離にある、ことと、
該第１の伝送機要素を使用して、第２の位置において第２の音響信号を生成することと
を含み、
該第２の音響信号は、該第１の音響信号に直交している、方法。
前記第２の位置は、前記第１の幅の約２分の１の距離である、請求項３５に記載の方法。
前記ソナーアレイは、付加的な伝送機と、第３の位置において第３の音響信号を生成することとをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
前記第１の伝送機要素は、前記受信機アレイの前記第１の端部に近接して設置され、前記第２の伝送機要素は、該受信機アレイの前記第２の端部に近接して設置される、請求項３５に記載の方法。
前記ソナーアレイは、該ソナーアレイの長さが、車両の長さよりも小さいように、該車両に搭載され、前記第２の位置は、該車両の長さ未満だけ、前記第１の位置からの前記第１の幅の２分の１からオフセットされる、請求項３５に記載の方法。
前記ソナーアレイは、該ソナーアレイの長さが車両の長さよりも大きいように、該車両によってけん引され、前記第２の位置は、該ソナーアレイの長さ未満だけ、前記第１の位置からの前記第１の幅の２分の１からオフセットされる、請求項３５に記載の方法。
前記第１および第２の音響信号のうちの少なくとも１つは、約１００Ｈｚから約１００ｋＨｚの範囲における周波数を有する、請求項３５に記載の方法。
前記第１および第２の音響信号のうちの少なくとも１つは、約１００ｋＨｚよりも大きい範囲における周波数を有する、請求項３５に記載の方法。
前記ソナーアレイは、水中地形を撮像するための水中車両または水面車両のうちの少なくとも１つに設置される、請求項３５に記載の方法。
前記ソナーアレイは、陸上地形を撮像するための空中車両または陸上車両のうちの少なくとも１つに設置される、請求項３５に記載の方法。
合成開口ソナー（ＳＡＳ）信号を生成するためのシステムであって、該システムは、
ソナーアレイであって、該ソナーアレイは、
第１の軸に沿って配列された複数の受信機要素を備える受信機アレイであって、該受信機アレイは、第１の端部および第２の端部を含む、受信機アレイと、
該受信機アレイの該第１の端部に近接して設置される第１の伝送機要素と、
該受信機アレイの該第２の端部に近接して設置される第２の伝送機要素と
を有し、
該第１の伝送機要素、該第２の伝送機要素、および該複数の受信機要素は各々、第１の幅を有する、ソナーアレイと、
プロセッサであって、該プロセッサは、
該第２の伝送機要素を使用して、第１の位置において第１の音響信号を生成することと、
該受信機アレイの該第１の端部から該第２の端部までの方向に、該第１の軸に沿って該ソナーアレイを第２の位置まで移動させることであって、該第２の位置は、該第１の位置から該第１の幅の約２分の１の距離にある、ことと、
該第１の伝送機要素を使用して、第２の位置において第２の音響信号を生成することと
を行うためのものであり、該第２の音響信号は、該第１の音響信号に直交している、プロセッサと
を備える、システム。
１つ以上の付加的な音響信号を生成するための１つ以上の伝送機をさらに備える、請求項４５に記載のシステム。
地形を横断する車両のナビゲーション位置を決定するための方法であって、該方法は、
該車両によって横断されている該地形の一部分の第１の実開口画像を受信することであって、該実開口画像は、該地形の一部分の事前撮像から取得される第１の周波数範囲内の音響データを含む、ことと、
該第１の実開口画像が取得された位置を表す第１の位置推定値を受信することと、
該車両の現在の位置についての予備推定値を表す第２の位置推定値を受信することと、
該第１の位置推定値と該第２の位置推定値とを接続する相関軸を決定することと、
該地形の一部分についての第２の実開口画像を生成することであって、該生成することは、該相関軸に沿って方向付けられる第２の周波数範囲内の音響信号を用いて該地形の一部分に高周波の音波を当てることによって行われ、該第２の周波数範囲は、該第１の周波数範囲と少なくとも部分的に重複する、ことと、
該第２の実開口画像を該第１の実開口画像とコヒーレントに相関させることと、
該コヒーレント相関に基づいて該第２の位置推定値を更新することと
を含む、方法。
前記地形は、水中地形を含む、請求項４７に記載の方法。
前記第２の実開口画像を生成することは、反射音響信号を受信することと、前記相関軸に沿って該反射音響信号を進めることとを含む、請求項４７に記載の方法。
前記第１の位置推定値は、全地球測位システム（ＧＰＳ）推定、慣性誘導システム、コンパス、および加速度計のうちの少なくとも１つを使用して計算される、請求項４７に記載の方法。
前記第１の実開口画像は、第１の位置において第１の車両によって生成され、前記第２の実開口画像は、第２の位置において該第１の車両によって生成される、請求項４７に記載の方法。
前記第１の実開口画像は、第１の位置において第１の車両によって生成され、前記第２の実開口画像は、第２の位置において第２の車両によって生成される、請求項４７に記載の方法。
前記第１および第２の周波数範囲は、１００ｋＨｚよりも大きい最小周波数を含む、請求項４７に記載の方法。
前記第１および第２の周波数範囲は、約１００Ｈｚから約１００ｋＨｚまでである、請求項４７に記載の方法。
前記車両は、水中地形を横断するための水中車両または水面車両のうちの少なくとも１つを含む、請求項４７に記載の方法。
前記車両は、陸上地形を横断するための空中車両または陸上車両のうちの少なくとも１つを含む、請求項４７に記載の方法。
前記車両は、屋内地形を横断するためのロボット車両を含む、請求項４７に記載の方法。
地形を横断する車両のナビゲーション位置を決定するためのシステムであって、該システムは、
該車両によって横断されている該地形の一部分についての第１の実開口画像を受信するための地図記憶装置であって、該実開口画像は、該地形の一部分についての事前撮像から取得される第１の周波数範囲内の音響データを含む、地図記憶装置と、
該地形の一部分の第２の実開口画像を生成するためのトランスデューサアレイであって、該生成することは、相関軸に沿って方向付けられる第２の周波数範囲内の音響信号を用いて該地形の一部分に高周波の音波を当てることによって行われ、該第２の周波数範囲は、該第１の周波数範囲と少なくとも部分的に重複する、トランスデューサアレイと、
該第２の実開口画像を該第１の実開口画像とコヒーレントに相関させるための信号相関器と、
中央制御ユニットであって、該中央制御ユニットは、
該第１の実開口画像が取得された位置を表す第１の位置推定値を受信することと、
該車両の現在位置の予備推定値を表す第２の位置推定値を受信することと、
該第１の位置推定値と該第２の位置推定値とを接続する相関軸を決定することと、
該コヒーレント相関に基づいて該第２の位置推定値を更新することと
を行うためのものである、中央制御ユニットと
を備える、システム。
地形を横断する車両のナビゲーション位置を決定するための方法であって、該方法は、
該車両によって横断されている該地形の一部分についてのソナー画像を受信することであって、該ソナー画像は、該地形の一部分の事前撮像から取得される第１の周波数範囲内の音響データを含む、受信することと、
第１のソナー画像が取得された位置を表す第１の位置推定値を受信することと、
該車両の現在位置の予備推定値を表す第２の位置推定値を受信することと、
該第１の位置推定値と該第２の位置推定値とを接続する相関軸を決定することと、
該地形の一部分の合成開口画像を生成することであって、該生成することは、該相関軸に沿って方向付けられる第２の周波数範囲内の音響信号を用いて該地形の一部分に高周波の音波を当てることによって行われ、該第２の周波数範囲は、該第１の周波数範囲と少なくとも部分的に重複する、生成することと、
該合成開口画像を該ソナー画像とコヒーレントに相関させることと、
該コヒーレント相関に基づいて該第２の位置推定値を更新することと
を含む、方法。
前記第２の位置に対応する第２の音速推定値を受信することと、前記コヒーレント相関に基づいて該第２の音速推定値を更新することとをさらに含む、請求項５９に記載の方法。
水中地形を調査するためのシステムであって、該システムは、
１つ以上の車両に搭載された第１の数の複数の音響伝送機要素と、
１つ以上の車両に搭載された第２の数の複数の音響受信機要素と
を備え、
該車両の各々は、該水中地形の一部分の合成開口画像を有するプロセッサを含み、該合成開口画像は、該水中地形の一部分の事前合成開口ソナー撮像から取得される音響データを含み、
該複数の車両は、第３の数の位相中心を有する平面合成開口ソナーアレイを形成するように配列され、
該位相中心の第３の数は、該第１の数に該第２の数を乗算したものに等しい、システム。
前記伝送機は、直交音響信号を生成するように構成される、請求項６１に記載のシステム。
前記車両は、水中車両を含む、請求項６１に記載のシステム。
前記車両は、水面車両を含む、請求項６１に記載のシステム。
前記１つ以上の車両は、前記水中地形の一部分についての前記事前合成開口画像に対するマッピングに基づいて配置される、請求項６１に記載のシステム。
前記伝送機要素および受信機要素は、約１Ｈｚから約１０ｋＨｚまでの範囲における周波数において動作する、請求項６１に記載のシステム。
前記伝送機要素および受信機要素は、約１０ｋＨｚよりも大きい範囲における周波数において動作する、請求項６１に記載のシステム。
前記伝送機要素および受信機要素は、約１０Ｈｚから約１ｋＨｚの範囲における周波数において動作する、請求項６１に記載のシステム。
前記プロセッサは、水中表面の性質のうちの少なくとも１つを決定するために構成される、請求項６１に記載のシステム。
前記水中表面は、海底、水面下炭化水素鉱床、および水面下マグマ溜りのうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載のシステム。
合成開口ソナー（ＳＡＳ）信号を生成する方法であって、該方法は、
第１の速度でソナーアレイを移動させることであって、該ソナーアレイは、少なくとも３つの伝送機および複数の受信機を有し、該アレイは、第１の長さを有し、該第１の伝送機は、該第１の長さに沿って該長さの第１の小部分に配置され、該第２の伝送機は、該第１の長さに沿って該長さの第２の小部分に配置され、該第３の伝送機は、該第１の長さに沿って該長さの第３の小部分に配置され、該移動の方向は、該第３の伝送機から該第１の伝送機に向かう方向に沿っている、移動させることと、
該第１および第２の伝送機を使用して、第１のピングを生成することであって、該生成することは、
該第１の伝送機を使用して、第１の位置において第１の音響信号を生成することであって、該第１の位置は、該第１の長さが該第１の小部分に加算されたものの整数倍数である、生成することと、
該第２の伝送機を使用して、第２の位置において第２の音響信号を生成することであって、該第２の位置は、該第１の長さが該第２の小部分に加算されたものの整数倍数である、生成することと
を含む、ことと、
該第１および該第３の伝送機を使用して、第２のピングを生成することであって、該生成することは、
該第１の伝送機を使用して、第３の位置において第３の音響信号を生成することであって、該第３の位置は、該第１の長さが該第１の小部分に加算されたものの整数倍数である、ことと、
該第３の伝送機を使用して、第４の位置において第４の音響信号を生成することであって、該第４の位置は、該第１の長さが該第３の小部分に加算されたものの整数倍数である、生成することと
を含む、ことと、
該第２および該第３の伝送機を使用して、第３のピングを生成することであって、該生成することは、
該第２の伝送機を使用して、第５の位置において第５の音響信号を生成することであって、該第５の位置は、該第１の長さが該第２の小部分に加算されたものの整数倍数である、生成することと、
該第３の伝送機を使用して、第６の位置において第６の音響信号を生成することであって、該第６の位置は、該第１の長さが該第３の小部分に加算されたものの整数倍数である、生成することと
を含む、生成することと
を含み、
該ソナーアレイは、該第１のピングと第２のピングとの間に、および該第２のピングと第３のピングとの間に、および該第３のピングと第１のピングとの間を移動するためにかかる時間は、該第１の長さが該第１の速度によって除算されたものの半分に等しい、方法。
前記複数の伝送機は、４つ以上の伝送機を含む、請求項７１に記載の方法。
前記第１、第２、および第３のピングのうちの少なくとも１つは、約１ｋＨｚから約１００ｋＨｚまでの範囲における周波数を有する、請求項７１に記載の方法。
前記第１、第２、および第３のピングのうちの少なくとも１つは、約１００ｋＨｚよりも大きい範囲における周波数を有する、請求項７１に記載の方法。
前記ソナーアレイは、水中地形を撮像するための水中車両または水面車両のうちの少なくとも１つに設置される、請求項７１に記載の方法。
前記ソナーアレイは、陸上地形を撮像するための空中車両または陸上車両のうちの少なくとも１つに設置される、請求項７１に記載の方法。