JP7183142B2 - 自律型無人潜水機をナビゲートするためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

（関連出願の引用）
本願は、米国仮出願第６１／７９２，７０８号（２０１３年３月１５日出願）の利益を主張し、上記出願の内容は、その全体が参照により本明細書に引用される。

大抵の陸上ベースのアプリケーションでは、ナビゲーンションは、しばしば、ＧＰＳ、無線標識、またはアプリオリな地図等の定位置インフラストラクチャによって補助される。水中での航行およびマッピングは、とりわけ、広範囲の水中ＧＰＳ同等のものが存在せず、海底の大部分が依然として未開であるため困難である。

水中航行のための現在の技法は、公的に入手可能な深度図を使用する。しかしながら、これらの地図は、比較的粗く、正確な航行には不適切である。他のソナーベースの航行システムは、ソナーデータ自体を使用する位置決め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。航行問題の他の解決法は、未知の場所で低費用のトランスポンダを配備し、それにより、ビークルとトランスポンダ標識との間のレンジベースの測定値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、互から遠い距離にある場所で配備され、しばしば、レンジのみの情報により、部分的にのみ観測可能である。したがって、これらの技術は、小型ビークル経路を横断する航行には不適切である。

近年の技術は、地形の事前地図に対する水中地形の航行を可能にする。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、地形に関連付けられる事前画像に対して比較される。次いで、水中ビークルは、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、そのような航行システムの性能は、伝送機の周波数が増加し波長が減少するにつれて、またはレンジが増加するにつれて劇的に減少する。

ソナープロジェクタおよび受信機等のほとんどのソナー機器は、ヌルを含む、周波数応答を有する。エンジニアは、典型的には、そのようなソナープロジェクタおよび受信機の動作帯域が、ヌル間にあるように設計する（特に、オフ共鳴動作されるソナーの場合）。例えば、ソナー受信機は、低周波数（ＬＦ）帯域および別個の高周波数（ＨＦ）帯域等、いくつかの動作帯域で動作するように設計され、意図的に作り出されたヌルが、２つの帯域を分離し得る。しかしながら、増加圧力が、ソナー要素に加えられ、要素が収縮するにつれて、周波数応答は、変化し得る。ヌルは、動作帯域の中に移動し、それによって、ソナー機器の性能を劣化させ得る。典型的解決策の１つは、ソナーをある深度帯域（例えば、海面から３０００ｍまで、３０００ｍ～６０００ｍ等）内で動作するように設計することである。しかしながら、これは、ある範囲の深度および海洋環境において動作する用途には実行可能ではない。そのような可変環境では、いくつかのバージョンのソナー機器が、可変環境の深度帯域の各々に対して要求され、重量およびコストを増加させるであろう。したがって、可変深度ソナーシステムの必要性がある。

慣性航法は、水中での一般的航行方法であるが、時間に伴って増加する誤差に悩まされる。雑音のある加速測定値は、積分された誤差を伴う速度推定および二重に積分された誤差を伴う位置推定につながる。これらの誤差は、速度を明示的に測定する（時々でも）ことによって軽減され、それによって、慣性システムが、速度推定内のバイアスを除去することを可能にし、位置誤差増加率を有意に減少させることができる。最先端のドップラセンサは、典型的には、複数のクラスタ化されたペンシルビームトランスデューサから成る。複数の方向に信号を伝送することは、トランスデューサのクラスタが、複数のベクトル（典型的には、直交ではないが、可能としてあり得る）に沿って、速度を測定することを可能にする。それらの複数の速度ベクトルは、次いで、融合され、真の３次元速度推定を提供することができる。

上述のように、ビークル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ビークルにおいて、（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反比例する。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、ビークル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ため、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レンジに制限を加える。

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運動を使用し、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で、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レンジを提供するために、大抵の現在のＳＡＳ技術は、低い周波数（１００ｋＨｚ未満）で動作する。増加したレンジに加えて、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、地図ベースの航行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、航行情報を提供し、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性質、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測が、コヒーレント地形認識および航行に活用されてきた。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航行に良く適している。

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、より小型の自律型無人潜水機（ＡＵＶ）または無人航空機（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航行技術は、減衰増加および性能不良により、航行のための高周波数ＳＡＳ（約１００ｋＨｚより大きい）の使用を阻止し、そして、減衰増加および性能不良は、地形の起伏における陰影、閉塞、および複雑な３Ｄ起伏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、垂直側面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。

可変深度ソナーを使用するためのシステムおよび方法が、本明細書に説明される。一側面によると、１つ以上の動作周波数帯域が、ソナー機器に対して決定される。周波数応答内のヌルが、所望の動作周波数帯域間にあるように、トランスデューサ設計の際に識別および調整される。いくつかの実施形態では、周波数応答内のヌルは、第１の動作周波数帯域と第２の動作周波数帯域との間で生じる。他の実施形態では、ヌルは、第１、第２、および第３の動作周波数帯域間で生じる。周囲圧力が、決定され、動作帯域の各々に対する中心動作周波数が、周囲圧力に基づいて調節される。中心周波数は、周波数応答内のヌルと動作帯域内の上限または上界との間の中心に置かれ得る。いくつかの実施形態では、周囲圧力を決定することは、現在の深度を決定することを含む。

本願はさらに、ビークルの速度状態を計算するためのシステムおよび方法を含む。一側面によると、少なくとも１つのトランスデューサは、第１の信号を第１の方向に伝送し、ドップラセンサは、第１の信号のエコーを受信する。少なくとも１つのトランスデューサは、ビークルの直径とサイズがほぼ等しく、ビークルの本体長さ（長さ方向）に沿って向けられ得る。少なくとも１つのトランスデューサは、第２の信号を第２の方向に伝送し得る。いくつかの実施形態では、ビークルは、第１の方向から第２の方向に物理的に方向転換され得る。他の実施形態では、第２の方向は、第１の方向と実質的に同一であり得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのトランスデューサは、２つ以上のトランスデューサのクラスタを備え得、第１のトランスデューサは、信号を第１の方向に伝送し、第２の異なるトランスデューサは、信号を第２の方向に伝送する。そのような実施形態では、第１のトランスデューサおよび第２のトランスデューサは、同時に、または異なる時間にシーケンスとしてのいずれかにおいて、そのそれぞれの信号を伝送し得る。代替実施形態では、単一トランスデューサのみ、第１および第２の信号をシーケンスとして伝送するために使用され得る。

いくつかの実施形態では、第２の方向は、第１の方向に直交する。いくつかの実施形態では、第２の速度測定値は、第１の速度測定値から観測可能ではないビークルの速度状態の部分を備えている。ドップラセンサは、第１および第２の信号のエコーを受信し、少なくとも１つの速度測定値は、受信されたエコーから計算され得る。少なくとも１つの速度測定値を使用して、ビークルの速度状態が、計算される。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの速度測定値は、第１の信号に基づく第１の速度測定値および第２の信号に基づく第２の速度測定値を備え得る。代替実施形態では、少なくとも１つの速度測定値は、第１の信号および第２の信号の両方に基づく、単一速度測定値を備え得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの速度測定値が、ビークルの位置状態を計算するために、航法フィルタに提供され得る。いくつかの実施形態では、本航法フィルタは、拡張カルマンフィルタであり得る。他の実施形態では、ビークルの位置状態がさらに、ビークルの速度状態に基づいて、計算される。

ある実施形態では、第３の速度測定値が、第３の方向から求められ得、第３の方向は、第１および第２の方向と異なる。ビークルの速度状態は、第１、第２、および第３の速度測定値に基づき得る。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
可変深度ソナーを使用する方法であって、
ソナー機器のための１つ以上の周波数帯域を決定することと、
前記周波数帯域に基づいて、周波数応答内のヌルを識別することと、
前記ソナー機器に加えられている周囲圧力を決定することと、
前記周囲圧力に基づいて、前記周波数帯域に対する中心動作周波数を調節することと
を含む、方法。
（項目２）
前記ソナー機器に加えられている前記周囲圧力を決定することは、現在の深度を決定することを含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記周波数応答内のヌルは、第１の動作周波数帯域と第２の動作周波数帯域との間で生じる、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記第１および第２の動作帯域の前記中心動作周波数は、前記周波数応答内のヌルと前記第１および第２の動作帯域のそれぞれの制限周波数との間の中心に置かれる、項目３に記載の方法。
（項目５）
ソナーシステムであって、
前記ソナーシステムに加えられている周囲圧力を検出するように構成されている圧力センサと、
処理回路と
を備え、
前記処理回路は、
前記ソナーシステムに対する１つ以上の周波数帯域を決定することと、
前記周波数帯域に基づいて、周波数応答内のヌルを識別することと、
前記周囲圧力を前記圧力センサから受信することと、
前記周囲圧力に基づいて、前記周波数帯域に対する中心動作周波数を調節することと
を行うように構成されている、システム。
（項目６）
前記処理回路は、現在の深度を決定することによって、前記ソナー機器に加えられている前記周囲圧力を決定するように構成されている、項目５に記載のシステム。
（項目７）
前記周波数応答内のヌルは、前記第１の動作周波数帯域と第２の動作周波数帯域との間で生じる、項目５に記載のシステム。
（項目８）
前記第１および第２の動作帯域の前記中心動作周波数は、前記周波数応答内のヌルと前記第１および第２の動作帯域のそれぞれの制限周波数との間の中心に置かれる、項目７に記載のシステム。
（項目９）
ビークルの速度状態を計算する方法であって、
少なくとも１つのトランスデューサを使用して、第１の信号を第１の方向に伝送することと、
ドップラセンサを使用して、前記第１の信号のエコーを受信することと、
前記少なくとも１つのトランスデューサを使用して、第２の信号を第２の方向に伝送することと、
前記ドップラセンサを使用して、前記第２の信号のエコーを受信することと、
前記第１の信号および前記第２の信号の前記受信されたエコーを使用して、少なくとも１つの速度測定値を計算することと、
前記少なくとも１つの速度測定値に基づいて、ビークルの速度状態を計算することと
を含む、方法。
（項目１０）
前記第２の方向は、前記第１の方向と異なる、項目９に記載の方法。
（項目１１）
前記第２の方向は、前記第１の方向に直交する、項目９に記載の方法。
（項目１２）
前記ビークルの速度状態に基づいて、ビークルの位置状態を計算することをさらに含む、項目９に記載の方法。
（項目１３）
前記少なくとも１つの速度測定値は、前記第１の信号に基づく第１の速度測定値および前記第２の信号に基づく第２の速度測定値を備え、前記第２の信号は、前記第１の速度測定値から観測可能ではない前記ビークルの速度状態の部分を提供する、項目９に記載の方法。
（項目１４）
前記ビークルの速度状態を計算することは、前記少なくとも１つの速度測定値を航法フィルタに提供することを含む、項目９に記載の方法。
（項目１５）
前記航法フィルタは、拡張カルマンフィルタである、項目１３に記載の方法。
（項目１６）
前記ビークルを前記第２の方向に方向転換することをさらに含む、項目９に記載の方法。
（項目１７）
第３の信号を第３の方向に伝送することと、
前記第３の信号に基づいて、第３の速度測定値を計算することと
をさらに含み、前記ビークルの速度状態を計算することは、前記第３の速度測定値に基づく、項目９に記載の方法。
（項目１８）
ビークルの速度状態を計算するためのシステムであって、
少なくとも１つのトランスデューサであって、前記少なくとも１つのトランスデューサは、
第１の信号を第１の方向に伝送することと、
前記少なくとも１つのトランスデューサを使用して、第２の信号を第２の方向に伝送することと
を行うように構成されている、少なくとも１つのトランスデューサと、
ドップラセンサであって、前記ドップラセンサは、
前記第１の信号のエコーを受信することと、
前記第２の信号のエコーを受信することと
を行うように構成されている、ドップラセンサと、
処理回路であって、前記処理回路は、
前記第１の信号および前記第２の信号の前記受信されたエコーを使用して、少なくとも１つの速度測定値を計算することと、
前記少なくとも１つの速度測定値に基づいて、ビークルの速度状態を計算することと
を行うように構成されている、処理回路と
を備えている、システム。
（項目１９）
前記第２の方向は、前記第１の方向と異なる、項目１８に記載のシステム。
（項目２０）
前記第２の方向は、前記第１の方向に直交する、項目１８に記載のシステム。
（項目２１）
前記処理回路は、前記ビークルの速度状態に基づいて、ビークルの位置状態を計算するようにさらに構成されている、項目１８に記載のシステム。
（項目２２）
前記少なくとも１つの速度測定値は、前記第１の信号に基づく第１の速度測定値および前記第２の信号に基づく第２の速度測定値を備え、前記第２の信号は、前記第１の速度測定値から観測可能ではない前記ビークルの速度状態の部分を提供する、項目１８に記載のシステム。
（項目２３）
前記処理回路は、前記少なくとも１つの速度測定値を航法フィルタに提供することによって、前記ビークルの速度状態を計算するように構成されている、項目１８に記載のシステム。
（項目２４）
前記航法フィルタは、拡張カルマンフィルタである、項目１８に記載のシステム。
（項目２５）
前記第１の方向から前記第２の方向に方向転換するように構成されているビークルをさらに備えている、項目１８に記載のシステム。
（項目２６）
前記処理回路は、
第３の信号を第３の方向に伝送することと、
前記第３の信号に基づいて、第３の速度測定値を計算することと
を行うようにさらに構成され、
前記処理回路は、前記第３の速度測定値に基づいて、前記ビークルの速度状態を計算するように構成されている、項目１８に記載のシステム。
（項目２７）
前記少なくとも１つのトランスデューサは、前記ビークルの直径とサイズがほぼ等しく、前記ビークルの本体長さに沿って向けられている、項目１８に記載のシステム。
（項目２８）
ビークルの速度状態を計算する方法であって、
少なくとも１つのトランスデューサを使用して、第１の信号を第１の方向に伝送することと、
前記第１の信号のエコーを受信することと、
前記第１の信号を伝送することに続いて、前記少なくとも１つのトランスデューサを使用して、第２の信号を前記第１の方向に伝送することと、
前記第２の信号のエコーを受信することと、
前記第２の信号のエコーを前記第１の信号のエコーと相関させることと、
前記相関に基づいて、前記ビークルの変位を計算することと、
前記変位と、前記第１の信号と前記第２の信号との間の時間とに基づいて、少なくとも１つの速度測定値を計算することと
を含む、方法。
（項目２９）
前記第１および第２の信号は、単一トランスデューサを使用して伝送される、項目２８に記載の方法。
（項目３０）
前記第１の信号のエコーと前記第２の信号のエコーとを相関させることは、ビークルの進行方向に沿って、前記第１の信号のエコーおよび前記第２の信号のエコーを相関させることを含む、項目２８に記載の方法。
（項目３１）
前記ビークルの前記変位は、第２の方向に沿ったものであり、前記第２の方向は、前記第１の方向と異なる、項目２８に記載の方法。
（項目３２）
前記第２の方向は、ビークルの進行方向である、項目３１に記載の方法。
（項目３３）
前記第１および第２の信号は、海底上の第１の区域に照準される、項目２８に記載の方法。
（項目３４）
前記少なくとも１つのトランスデューサは、直径Ｄを伴う開口を有し、前記変位は、Ｄ／２を上回らない、項目２８に記載の方法。
（項目３５）
前記少なくとも１つのトランスデューサは、パラメトリックソナーを備えている、項目２８に記載の方法。
（項目３６）
ビークルの速度状態を計算するためのシステムであって、
少なくとも１つのトランスデューサであって、前記少なくとも１つのトランスデューサは、
第１の信号を第１の方向に伝送することと、
前記第１の信号を伝送することに続いて、第２の信号を前記第１の方向に伝送することと
を行うように構成されている、少なくとも１つのトランスデューサと、
センサであって、前記センサは、
前記第１の信号のエコーを受信することと、
前記第２の信号のエコーを受信することと
を行うように構成されている、センサと、
処理回路であって、前記処理回路は、
前記第２の信号のエコーを前記第１の信号のエコーと相関させることと、
前記相関に基づいて、前記ビークルの変位を計算することと、
前記変位と、前記第１の信号と前記第２の信号との間の時間とに基づいて、少なくとも１つの速度測定値を計算することと
を行うように構成されている、処理回路と
を備えている、システム。
（項目３７）
前記少なくとも１つのトランスデューサは、単一トランスデューサである、項目３６に記載のシステム。
（項目３８）
前記処理回路は、ビークルの進行方向に沿って、前記第１の信号のエコーおよび前記第２の信号のエコーを相関させることによって、前記第１の信号のエコーおよび前記第２の信号のエコーを相関させるように構成されている、項目３６に記載のシステム。
（項目３９）
前記ビークルの変位は、第２の方向に沿ったものであり、前記第２の方向は、前記第１の方向と異なる、項目３６に記載のシステム。
（項目４０）
前記第２の方向は、ビークルの進行方向である、項目３９に記載のシステム。
（項目４１）
前記第１および第２の信号は、海底上の第１の区域に照準される、項目３６に記載のシステム。
（項目４２）
前記少なくとも１つのトランスデューサは、直径Ｄを伴う開口を有し、前記変位は、Ｄ／２を上回らない、項目３６に記載のシステム。
（項目４３）
前記少なくとも１つのトランスデューサは、パラメトリックソナーを備えている、項目３６に記載のシステム。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、添付の図面と関連して検討される、以下の発明を実施するための形態の検証に応じて明白となるであろう。

本明細書に説明されるシステムおよび方法は、添付の請求項に記載される。しかしながら、説明の目的のために、いくつかの例証的実施形態は、以下の図に記載される。
図１は、本開示の例証的実施形態による、例示的遠隔操作ビークルを描写する、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、ビークルの速度状態を計算するためのビークル操縦の例証的実施例を描写する。 図４は、ビークルの速度状態を計算するためのビークル操縦の別の例証的実施例を描写する。 図５は、ビークルの速度状態を計算するためのビークル操縦の別の例証的実施例を描写する。 図６は、一例証的実施形態による、可変深度ソナーシステムを使用するためのプロセスを描写する。 図７は、一例証的実施形態による、ビークルの速度状態を計算するためのプロセスを描写する。 図８は、一例証的実施形態による、ビークルの速度状態を計算するための別のプロセスを描写する。

本発明の全体的な理解を提供するために、ある例証的実施形態を説明する。しかしながら、本明細書で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得、そのような他の追加および修正は、本明細書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。

本明細書で説明されるシステムおよび方法は、高周波数（「ＨＦ」）ホログラフィック航行、すなわち、約１００ｋＨｚ以上の周波数で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性質を使用する、地図ベースの航行を含む。本明細書で説明されるシステムおよび方法はまた、約１００ｋＨｚ未満の周波数での低周波数（「ＬＦ」）ホログラフィック航行も含む。特に、本明細書で説明されるシステムおよび方法は、周波数および側面（ａｓｐｅｃｔ）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／または機首方位ベースの航行を可能にする。高周波数で、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、レンジ（ｒａｎｇｅ）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、低い周波数でさえも存在し得る。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とき、画像はゆがめられ得ないが、相関（したがって航行）は困難であり得る。本明細書で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ている、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。

本明細書で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性質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、本明細書で説明される。本明細書で説明されるシステムおよび方法は、ＨＦホログラフィック航行を使用して、高精度で（津波センサ等の）センサおよび航行標識を位置付けるための方法を含む。本明細書で説明されるシステムおよび方法は、ＨＦホログラフィック航行を使用して取得される高精度位置測定値に基づいて、自律型無人潜水機（ＡＵＶ）を使用して水柱を監視およびモデル化する方法を含む。ある実施形態では、本システムおよび方法は、より高い分解能で完全平面合成開口ソナーを形成するように、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、本明細書で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、本明細書で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システムのレンジを増加させるための過剰ピング発射シーケンスを含む。本明細書で説明されるシステムおよび方法はさらに、地形に対して高精度でエミッタまたは受信機を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含む。なおも他の側面では、本明細書で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。本明細書で説明される、これらおよび他のシステムおよび方法の各々は、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で使用され得る。本明細書で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、本明細書で説明される任意の他のシステムおよび方法に適用され得る。

ソナープロジェクタおよび受信機等のほとんどは、ヌルを含む、周波数応答を有する。エンジニアは、典型的には、そのようなソナープロジェクタおよび受信機の動作帯域が、ヌル間にあるように設計する（特に、オフ共鳴動作されるソナーの場合）。例えば、ソナー受信機は、低周波数（ＬＦ）帯域および別個の高周波数（ＨＦ）帯域等、いくつかの動作帯域で動作するように設計され、意図的に作り出されたヌルが、２つの帯域を分離し得る。しかしながら、増加圧力が、ソナー要素に加えられ、要素が収縮するにつれて、周波数応答は、変化し得、ヌルは、動作帯域の中に移動し、それによって、周波数応答の性能を劣化させ得る。典型的解決策の１つは、ソナーをある深度帯域（例えば、海面から３０００ｍまで、３０００ｍ～６０００ｍ等）内で動作するように設計することである。しかしながら、これは、ある範囲の深度および海洋環境において動作する用途には実行可能ではない。そのような可変環境では、いくつかのバージョンのソナー機器が、可変環境の深度帯域の各々に対して要求され、重量およびコストを増加させるであろう。したがって、可変深度ソナーシステムの必要性がある。

本明細書に説明されるシステムおよび方法は、周波数応答の挙動を制御するために、圧力に基づいて、応答における中心周波数をシフトさせることによって、本問題を解決する。典型的には、これは、中心周波数を周波数応答におけるヌル間の固定場所に保つために行われるが、所与のレンジおよび電力に対して分解能を最大化するため（深度に伴う吸収の低下を利用する）、深度に伴って電力を最小化するため（伝送電力を減少させ、減少吸収を反映させる）、または周波数に伴って電力を成形するため（周波数応答が変化する場合、電力を変動させ、平坦伝送スペクトルまたは平坦受信スペクトルを維持する）にも行われ得る。平坦受信スペクトルに対して、これは、ソナーのレンジ内の任意の場所においてであり得る（伝送時の平坦応答を伴う広帯域ソナーは、長距離において、概して、より高い、いくつかの周波数において、応答減少を有し、最大距離において平坦応答を伴うソナーは、近距離において、より高い周波数に有利に働くようにバイアスされた周波数応答を有するであろうという理解の下で）。同じように、周波数応答および周波数成分も、可変雑音条件に応答して、均一ＳＮＲを提供するように変動させられ得る。

加えて、ビークル（ｖｅｈｉｃｌｅ）の速度状態を計算するためのシステムおよび方法も、本明細書に説明される。前述のように、慣性航法は、水中での一般的航行方法であるが、時間に伴って増加する誤差に悩まされる。雑音のある加速測定値は、積分された誤差を伴う速度推定および二重に積分された誤差を伴う位置推定につながる。これらの誤差は、速度を明示的に測定する（時々でも）ことによって軽減され、それによって、慣性システムが、速度推定内のバイアスを除去することを可能にし、位置誤差増加率を有意に減少させることができる。最先端のドップラセンサは、典型的には、複数のクラスタ化されたペンシルビームトランスデューサから成る。複数の方向に信号を伝送することは、トランスデューサのクラスタが、複数のベクトル（典型的には、直交ではないが、可能としてあり得る）に沿って、速度を測定することを可能にする。それらの複数の速度ベクトルは、次いで、融合され、真の３次元速度推定を提供することができる。ドップラシフトを使用して、ベクトルに沿って速度を推定するためのセンサは、本明細書では、ドップラ速度ログ（ＤＶＬ）と称される。

ほとんどのドップラセンサは、少なくとも２つの理由から、比較的に高周波数で動作する。第１に、ドップラシフトは、中心周波数の固定割合であるが、スペクトル分解能は、信号長の関数である。したがって、より高い周波数は、固定された所望の精度が与えられた場合、より短い信号を使用するので、固定長信号に対してより精密な測定値をもたらすことができる。第２に、所与の方向におけるドップラシフトを測定することが望ましいため、伝送／受信された信号方向性を与える開口を使用することが一般的である。周波数が高いほど、必要な開口はより小さくなる。残念ながら、高周波数音は、高速に吸収される。自律型無人潜水機に共通のドップラセンサは、概して、海洋底の数百メートル以内でドップラロックを喪失する。角度４５度でのＣｈａｌｌｅｎｇｅｒ Ｄｅｅｐ（深度１１ｋｍ）の海底への潜航は、数百メートルとは対照的に、１５．５ｋｍにより近いレンジを伴うセンサを要求するであろう。有意により低い周波数が、そのようなレンジを達成するために必要である。

一実施形態では、相関速度ログ（ＣＶＬ）は、変位を測定するために、単一センサからの測定値をコヒーレントに相関させる。ＤＶＬのように、そのレンジおよび精度は、周波数および帯域幅に関連する。本実施形態では、ＣＶＬは、合理的相関を有するために明確に定義された区域内で反復観測を行い、追加の制御およびシステム複雑性を要求する。位置変位を（別々の目印の反復インコヒーレント測定値等）介して速度を推定する代替方法が、可能であるが、より高いレベルの意思決定（ロボットが、概して、不得意とするもの）を要求し、多くの場合、コヒーレント相関の正確度に近づくものではない。本明細書では、ＣＶＬが、レンジ内の信号を相関させ、周波数が増加するにつれて、改良された速度推定をもたらす、位相レベル精度を有すると仮定される。本明細書に説明されるシステムおよび方法は、ＤＶＬおよびＣＶＬ用途の両方を対象とし得るが、ＣＶＬ用途は、好ましい実施形態である。ビークルが、相関され得る２つのエコーを産生するために十分に安定する限り、ＣＶＬおよびＤＶＬは、同一様式で使用され得、ＤＶＬを用いるシステムによって使用される動作技法は、ＣＶＬを利用するシステムによって採用されることができることを理解されたい。そのような場合、ＤＶＬおよびＣＶＬのために使用される更新方程式は、異なり得ることも理解されたい。本明細書で使用されていない、代替解釈では、ＣＶＬは、舷側に照準を合わせられる複数の受信機を利用する技法を指し得る。ＣＶＬのこの解釈を使用する実施形態では、第１の信号が、伝送され、複数の受信機において受信されたエコーが、比較され、前進を決定する。そのような実施形態では、より高い周波数は、速度推定を改善しない。ＣＶＬのこの代替解釈に関するさらなる詳細は、Ｑｕａｚｉ，Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｅｓｔｉｍａｔｅ ｉｎ Ａｃｔｉｖｅ ａｎｄ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｔａｒｇｅｔ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｓｐｅｅｃｈ，ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｖｏｌ．ＡＳＳＰ－２９、Ｎｏ．３（１９８１年６月）に見出され得、その内容全体が、参照することによって本明細書に組み込まれる。

いくつかの実施形態では、速度および／または位置は、音響的に測定される。好ましい実装では、ＤＶＬまたはＣＶＬのいずれかとして使用するために好適な信号を産生することができるのは、潜航ビークルの機首上の単一の大型パラトリックトランスデューサである。ロボットは、ピングを送り、信号を受信しながら、固定直線経路に沿って潜航し、その経路（直交方向ではない）に沿って速度測定を可能にする。次いで、ロボットは、方向転換し、新しい経路（好ましくは直交であるが、必須ではない）に沿って潜航し、別の測定を行い、以前に観測可能ではなかったビークルの速度状態の部分を観測する。これらの最初の２つの速度測定は、深度と組み合わせられた場合、ビークルの速度状態を完全に観測するために十分であり得、ビークルの速度状態は、最初の２つの速度測定から計算され得る。いくつかの実施形態では、第３の方向転換を行うことによって、ビークルは、速度状態を完全に観測するために、第３の測定を行うことができる。ビークルは、次いで、プロセスを繰り返し、速度状態の更新を継続し得る。

いくつかの実施形態では、第３の速度測定は、別個のトランスデューサによって行われ得る。いくつかの実施形態では、トランスデューサのクラスタを使用する代わりに（多くの市販のドップラのように）、本明細書に説明されるシステムおよび方法は、単一パラトリックトランスデューサを採用し得る（但し、複数のトランスデューサも使用し得る）。このように、第３の速度測定は、単一トランスデューサによって行われ得、第３の信号は、最初の２つの信号後に順に伝送される。さらに他の実施形態では、第３の速度測定は、深度センサ等の完全に異なるタイプのセンサによって観測され得る。

一実施形態では、純粋なドップラセンサが、ビークルの位置状態を計算するために使用され得る。ドップラセンサは、信号を伝送するためのトランスデューサと、信号のエコーを検出するためのドップラ信号受信機の両方を備え得る。センサは、別個の伝送および受信要素を使用するか、または伝送および受信の両方を行うための単一要素を使用し得る。長距離において、海底のロックを達成するために、センサは、低周波数を使用し得る。トランスデューサ要素のサイズを最小化するために、パラトリックトランスデューサを使用し得る。パラトリックトランスデューサは、水中の非線形相互作用に起因して、和および差周波数に変わる、一対の高周波数信号を伝送し得る。和周波数は、高速で吸収される一方、差周波数は、長距離まで伝搬する。ドップラセンサは、他のハードウェアによって妨害されない、ビークル上の便利な場所内に搭載され得る。いくつかの実施形態では、ドップラセンサは、ビークルの底部と同一平面に搭載され得る。いくつかの実施形態では、ドップラセンサは、障害物回避ソナー制約に応じて、ビークルの機首に搭載され得るか、または障害物回避ソナーと要素を共有し得る。さらに他の実施形態では、ドップラセンサは、本体外の媒体（例えば、ビークルのタイプに応じて、空気または水）の流れの中で搭載され得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、ドップラセンサは、ビークルの直径とサイズが匹敵し得、したがって、流動を著しく妨害する可能性がある。この場合、ドップラセンサは、音響透過性のフェアリングによって覆われ得る。

潜航中、ビークルは、トランスデューサを使用して伝送し、次いで、エコーの受信を待ちながら、固定進路を維持し得る。総飛行時間は、非常に長くなり得る。例証的実施例として、Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｒ ｄｅｅｐ（１１ｋｍ深度）直上角度４５度では、飛行時間は、約２１秒となるであろう。ドップラシフト信号の受信に応じて、速度測定値が、航法フィルタ（限定ではないが、拡張カルマンフィルタ等）を更新するために使用される。任意の好適な航法フィルタが、使用され得、航法フィルタは、図１に関連して以下にさらに詳細に説明される、ＣＣＵの中に組み込まれ得る。航法フィルタは、ビークルの位置、速度、および加速状態のうちの１つ以上のものを継続的に更新し得る。航法フィルタは、限定ではないが、典型的デカルト座標系（１Ｄ、２Ｄ、または３Ｄにおいて）、回転座標系、ビークル中心座標系、または地球中心座標系を含む、任意の好適な座標系を採用し得る。位置、速度、および加速状態の各々は、航法フィルタによって採用される座標系に好適な成分を備え得る。例えば、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向を伴う、従来の３Ｄデカルト座標系では、速度状態は、Ｘ速度成分、Ｙ速度成分、およびＺ速度成分を備え得る。

航法フィルタは、加速状態を積分し、速度状態を決定し、速度状態を積分し、位置状態を決定し得る。航法フィルタは、所定の時間間隔または可変時間間隔において周期的に更新され得る。航法フィルタはまた、１つ以上のセンサ測定値を受信し、センサ測定値に基づいて、ビークルの位置、速度、および加速状態のいずれかを更新するように構成され得る。例えば、１つ以上のドップラ信号が、速度測定値を計算するために使用され得、これは、ビークルの速度状態を更新するために使用され得る。いくつかの実施形態では、航法フィルタは、推定された位置、速度、および加速状態の相違、ならびに１つ以上のセンサ測定値の各々の予期される相違を追跡し得る。センサ測定値の予期される相違に基づいて、航法フィルタは、適宜、位置、速度、または加速状態のうちの１つ以上のものの相違を更新し得る。例証的実施例として、深度センサは、位置状態の予期される相違と比較して、高正確度および低相違を有し得る。そのような深度センサからの測定値に基づく、位置状態の更新は、深度測定方向に対応する位置状態の成分の相違および不確実性を大幅に低減させ得る。１つ以上のセンサからの更新は、任意の好適な時間間隔において周期的に受信され得る。

航法フィルタは、周期的に、更新されるため、単一測定において３次元速度を完全に観測する必要はない。むしろ、単一ドップラ定点は、そのベクトルに沿った速度推定を改善し得る。ドップラ定点は、最新の速度推定を更新するために適用され得るが、より優れたフィルタは、伝送時間に対応する状態情報と受信時間に関する状態情報とを明示的に維持し、両速度に基づいて、ドップラシフトを測定し得る（すなわち、Δｆ＝ｇ（ｕ（ｔ）、ｕ（ｔ－Δｔ）））。１つ以上のドップラ測定値を受信後、ビークルは、トランスデューサを新しい方向に向けるように方向転換または回転し、その新しい方向における速度を更新し得る。いくつかの実施形態では、新しい方向は、第１の方向に直交し得る。一例証的実施例では、ビークルは、３辺を伴う多角形螺旋として潜航し得る。他の潜航プロファイルも、可能性として考えられる。

パラメトリックソナーは、離れた海底に対してドップラシフトを測定するために使用され得る低周波数音を小型パッケージ内で産生することができるが、低精度の重要な問題が残る。１秒の伝送を用いると、スペクトル分解能は、約１Ｈｚである。１ｋＨｚでは、それは、音速の約０．１％または１５ｃｍ／ｓとなるであろう。いくつかの実施形態では、パラトリックトランスデューサは、ビークルの進行方向に沿って相関ソナーを生成するために使用され得る。一般に、所与の方向に向けた開口Ｄを伴うトランスデューサは、開口がＤ／２を上回ってボアサイトからシフトされないことを前提として（ボアサイトに沿ってシフトされ得る）、海底の第１のピングをシフトされた位置からの後続ピングと相関させることが可能であろう。海底の初期観測後、後続観測を行うことによって、観測間に進行した距離を測定することが可能である。２つの位置間の差異の測定値は、これが位置を得るために積分される必要がある状態を更新しないという利点を有し、したがって、雑音を被りにくい。残念ながら、１度に１ベクトルに沿った更新のみ可能にする。ビークルは、別の方向に回転し、別の対（または、それを上回る）測定を行い、別のベクトルに沿って速度誤差を取り除く必要がある。いくつかの実施形態では、ビークルが測定を行いながら潜降する必要がある、開口が描く「トンネル」は、Ｄ／２より大きくなり得る。Ｄ／２ルールは、従来のトランスデューサによって生成される足跡に基づく。パラトリックトランスデューサに適用されると、この制約は、ｆ／ｄｆ^＊Ｄ／２であるように拡張され得、式中、ｆは、一次周波数であり、ｄｆは、差周波数であり、Ｄは、オリジナル開口である。例証的実施例として、周波数の１０：１減少に対して、トンネルは、５Ｄに拡張する。

代替として、単一または複数のチャネルパラメトリックソナーを使用するホログラフィック航行を使用してナビゲートすることが可能である。サイズＤの要素を伴うＳＡＳは、典型的には、Ｄ／２の間隔を用いてサプリングするが、パラメトリックＳＡＳは、ｆ／ｄｆ^＊Ｄ／２の間隔のみを必要とし、式中、ｆは、一次周波数であり、ｄｆは、差周波数である。適切に構築されたパラメトリックＳＡＳ画像を用いて、単一チャネルホログラフィック航行を使用して航行可能である。代替として、２つのパラメトリックＳＡＳ画像は、航行解決のために比較されることができる。好ましい実施形態では、ビークルは、パラメトリックソナーを使用して、潜航しながら、パラメトリックＳＡＳ画像を生成する。１つ以上のパラトリックトランスデューサは、舷側に照準を合わせられるであろう。トランスデューサが、斜傾される（ｓｑｕｉｎｔｅｄ）かどうかは、潜航角度およびビーム幅に依存するであろう。ＳＡＳ画像は、全深度において、海面近傍のみ、海底近傍のみ、またはいくつかの便利な水中場所において作成されることができる。データは、連続更新のために、またはビークルが海底に到達した後のバッチ更新の一部として使用されることができる。ビークルが海底に到達し、高周波数ソナーを用いて、海底ロックを達成することができると、単一チャネルパラメトリックＳＡＳ画像内の誤差は、大幅に減少されることが予期され得る。本状況の場合、クリーンであるが、高度にバイアスされた海底ＳＡＳ画像を参照することは、海面近傍から単一チャネル定点となるであろうことから理にかない得る（高航行精度が存在する場合）。

一実施形態では、ビークルは、主に、潜航の間、一平面内に留まり、ほぼ同一見通し角から同一海底地形を一貫して見る。代替実施形態では、ロボットは、降下の間、複数の潜航平面を横断する。例証的実施例として、ビークルは、角錐の辺上に投影される螺旋に類似する経路を進行し得る。ビークルは、角錐の上部から開始し、降下し始める。ビークルが、角錐の任意の所与の面上にある場合、角錐との交差点における海底のその観測の見通し角は、一定となるであろう。一定の潜航角度で角錐の辺に沿ってのみ進行することによってロボットは、同一レンジの水平角度内で角錐の底辺における区域を見る傾向となるであろう。これは、ホログラフィック航行および見通し角補償制約の全てを満たすことを促進するであろう。

図１は、本開示の例証的実施形態による、例証的遠隔操作ビークルを描写する、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整合フィルタ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航行を可能にするために、システム１００は、見通し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。いくつかの実施形態では、システム１００は、搭載された航行コントローラ１７０、モータコントローラ１８０、およびセンサコントローラ１９０を含む。航行コントローラ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から航行パラメータを受信するように構成され得る。モータコントローラ１８０は、ビークル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得る。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得る。システム１００はさらに、ソナー測定値ならびに他の航行およびセンサパラメータに基づいて航行パラメータを決定するため、およびビークル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を含む。

水面または水中ビークルとの関連で、ＣＣＵ１６０は、位置（緯度および経度）、速度（任意の方向）、方角、機首方位、加速度、および高度等の航行パラメータを決定し得る。ＣＣＵ１６０は、航跡に沿った方向（前方および後方）、航跡を横断する方向（左舷および右舷）、および垂直方向（上および下）に沿った運動を制御するために、これらの航行パラメータを使用し得る。ＣＣＵ１６０は、ビークルの向きを変える（ｙａｗ）、ビークルを傾ける（ピッチ）、ビークルを転がす（ｒｏｌｌ）、または別様にビークルを回転させる（ｒｏｔａｔｅ）ように運動を制御するために、これらの航行パラメータを使用し得る。水中動作中、ＡＵＶ等のビークルは、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得、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、相関させられ得る。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ために、高精度および他の航行パラメータを用いてＡＵＶの位置を決定し得る。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得る。ある実施形態では、正方画素を伴う事前ＳＡＳ地図とのソナー画像の少なくともほぼ完璧な重複があると仮定し、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、かつ見通し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までを含む高精度で識別され得る。例えば、分解能は、レンジ方向において、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であり得る。

概して、長波長（低周波数）センサを使用する地形認識は、物体シグネチャの側面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、ソナーおよび物体側面の両方とともに変化し、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、重複周波数帯を有しない信号を伴う任意の相関演算は、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での乗算であるため）。２つのソナー画像が相関するためには、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対して、複雑な光景の同一のシグネチャは、典型的には、元の観測位置および向きを再訪し、同一の周波数を使用することのみによって、再観測することができる。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。インコヒーレント航行は、独特な地形がある場合に（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航行は、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む。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得、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／動作を回避することによって、またはＳＮＲが低い場合、臨界角を下回って動作することによって、周波数を変更することができるならば、平面開口は、輪郭開口と置換されることが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、および平底上のレンジにおいて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はレーダの視点から、２つのエコーの進行距離は、１０ｃｍ異なる（行き、および戻り）。代わりに、観測者が、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（反比例であることを除き同様に、周波数も拡大縮小される）。より一般的に、高度角の変化が、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測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の観測に対して適切に拡大縮小された周波数で第２の観測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対して、見通し角の過剰な変化は、単に、既知のシグネチャが帯域外になることにつながる。

本明細書で説明されるシステムおよび方法の見通し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、最小限の慣性航行とともに、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航行実装が全て、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航行システムを有することが望ましい。ホログラフィック航行システムおよび方法のさらなる例証的実施形態が、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。

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、一列に配列される、１つ以上の伝送要素またはプロジェクタと複数の受信要素と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得る。ある実施形態では、トランスデューサアレイ１１２は、マルチビーム音波発信機、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。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得、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得る。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得る。アレイ１１２の一実施例は、１２^３/_４インチビークルに搭載された５ｃｍ要素を伴う１６チャネルアレイを含
む。

ソナーユニット１１０はさらに、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とを含む。ソナーユニット１１０はさらに、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。プリプロセッサはさらに、ビークルの運動を推定、および補償するためのドップラ補償器１２４を含む。前処理された信号は、整合フィルタ１３０に送信される。

整合フィルタ１３０は、レンジ内で整合フィルタリングを行うためのパルス圧縮器１３２と、方位角において整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、見通し角の差異を補償するようにソナー画像を調整するための見通し角補償器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、画像は観測角とともに変化する。例えば、固定高度および機首方位で動作し、海底経路を観測するＳＡＳシステムは、異なるレンジで異なる画像を生成するであろう。同様に、固定水平レンジで作製される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、見通し角の変化によるものであろう。見通し角補償器１４２は、見通し角不変画像を生成するように構成される。１つのそのような見通し角補償器が、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｇｒａｚｉｎｇ Ａｎｇｌｅ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｓｉｇｎａｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ」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、レンジ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。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得る。

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得る。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み得る、地図記憶部を含み得る。信号相関器１５２は、信号補正器１４０から取得される受信および処理された画像を、地図記憶部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得る。

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み得る。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み得る。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得、次いで、データは、航行システムを支援するための後処理で使用され得る。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み得る。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得る。例えば、セキュリティエンジンは、地図記憶部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得る。地図記憶部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得る。セキュリティエンジンは、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得る。セキュリティエンジンは、限定されないが、航行コントローラ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得る。

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得る。より具体的には、図２は、本開示の例証的実施形態による、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航行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得る。

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み得る。メモリ２０８は、例証的に、メインメモリおよび読み取り専用メモリを含む。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み得る。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り得る。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得る。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り得る。いくつかの実施形態では、通信は、音響モデムを介して起こり得る。例えば、ＡＵＶに対して、通信は、そのようなモデムを介して起こり得る。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み得る。

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を使用し得る。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得る。

いくつかの実施形態では、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、航行コントローラ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／またはそのモデルに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に記憶され得、かつプロセッサ２０２によって読み出され得る。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、見通し角補償または高周波数ホログラフィック航行を行うように、これらのメモリデバイスに記憶された命令を実行し得る。

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）とを含み得る。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に連結され得る。前述の構成要素の各々は、相互接続バス２１８を介して通信し得る。

いくつかの実施形態では、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、プロセッサを要求する。ソナーアレイ２１４は、他の構成要素の中でもとりわけ、伝送機、受信アレイ、受信要素、および／または関連位相中心／仮想要素を伴う仮想アレイを含み得る。

地形のモデルに対応するデータ、モデルに関連付けられたホログラフィック地図に対応するデータ、および見通し角補償のためのプロセスは、プロセッサ２０２によって行われ得る。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）とを含み得る。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に連結され得る。前述の構成要素の各々は、相互接続バス２１８を介して通信し得る。

動作中、プロセッサ２０２は、センサ２１４に対する位置推定、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、航行情報および／または高度情報を受信し得、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い得る。システムプロセッサ２０２からの出力は、ビークルが移動する必要がある位置を含む。

システム２００に含まれる構成要素は、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、および同等物等として使用される汎用コンピュータシステムで見出される。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／または読み取り可能な媒体を含む、コンピュータプログラム製品で具現化され得ることが、当業者に明白であろう。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読み取り可能なプログラムコードを有する、ＣＤ ＲＯＭ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み取り専用メモリデバイスから成り得る。

随意に、本システムは、慣性航行システム、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）航行システム、超短基線（ＵＳＢＬ）航行、または任意の他の好適な航行システムを含み得る。

図３は、ビークルの速度状態を計算するためのビークル操縦の例証的実施例を描写する。操縦３００は、第１の方向３０４に進む第１の時間Ｔ１にビークル３０２を含み、同一ビークル３０２は、第２の時間Ｔ２において、第２の方向３０６に進む。ビークル３０２は、少なくとも１つのトランスデューサを使用して、第１の信号を第１の方向３０４に伝送し得る。ビークル３０２は、ドップラセンサを使用して、第１の信号のエコーを受信し得る。ビークル３０２は、時間Ｔ１、時間Ｔ２、Ｔ１とＴ２との間の時間、またはＴ２後の任意の時間に、第１の信号のエコーを受信し得る。ビークル３０２は、次いで、第２の方向３０６に方向転換し得、第２の方向３０６は、第１の方向３０４と異なる。いくつかの実施形態では、第２の方向３０６は、第１の方向３０４に直交し得る。第２の信号は、第１の信号から以前に観測可能ではなかった速度状態の成分の測定値を伴い得る。ビークル３０２は、少なくとも１つのトランスデューサを使用して、第２の信号を第２の方向３０６に伝送し得る。ビークル３０２は、ドップラセンサを使用して、第２の信号のエコーを受信し得る。ビークル３０２は、時間Ｔ２またはＴ２後の任意の時間において、第２の信号のエコーを受信し得る。

いくつかの実施形態では、第２の信号は、第１の信号と同一トランスデューサから伝送され得る。代替実施形態では、第２の信号は、第１の信号と異なるトランスデューサから伝送され得る。

受信された第１および第２の信号のエコーに基づいて、ビークル３０２は、ビークルの速度状態の少なくとも一部を計算し得る。いくつかの実施形態では、ビークル３０２は、プロセッサ２０２等の処理回路を使用して、第１および第２の信号の各々に対するドップラシフトを計算し、それぞれのドップラシフトに基づいて、第１および第２の速度測定値を計算し得る。

図４は、ビークルの速度状態を計算するためのビークル操縦の別の例証的実施例を描写する。操縦４００は、第１の時間Ｔ１において、第１の方向４０４に進むビークル４０２を含み、同一ビークル４０２は、第２の時間Ｔ２において、第２の方向４０６に進む。第１の方向４０４と第２の方向４０６とは、同一または実質的に類似し得る。ビークル４０２は、少なくとも１つのトランスデューサを使用して、第１の信号を第１の方向３０４に伝送し得る。ビークル４０２は、ドップラセンサを使用して、第１の信号のエコーを受信し得る。ビークル４０２は、時間Ｔ１、時間Ｔ２、Ｔ１とＴ２との間の時間、またはＴ２後の任意の時間に、第１の信号のエコーを受信し得る。ビークル４０２は、少なくとも１つのトランスデューサを使用して、第２の信号を第２の方向４０６に伝送し得る。ビークル４０２は、ドップラセンサを使用して、第２の信号のエコーを受信し得る。ビークル４０２は、時間Ｔ２またはＴ２後の任意の時間に第２の信号のエコーを受信し得る。

いくつかの実施形態では、第２の信号は、第１の信号と同一トランスデューサから伝送され得る。代替実施形態では、第２の信号は、第１の信号と異なるトランスデューサから伝送され得る。

受信された第１および第２の信号のエコーに基づいて、ビークル４０２は、ビークルの速度状態の少なくとも一部を計算し得る。いくつかの実施形態では、ビークル４０２は、プロセッサ２０２等の処理回路を使用して、第１および第２の信号の各々に対するドップラシフトを計算し、それぞれのドップラシフトに基づいて、第１および第２の速度測定値を計算し得る。代替実施形態では、ビークル４０２は、プロセッサ２０２等の処理回路を使用して、第１および第２の信号のエコーに基づいて、Ｔ１とＴ２との間で進行された距離を計算し得る。本情報を使用して、ビークル４０２は、単一速度推定を計算し得る。

図５は、ビークルの速度状態を計算するためのビークル操縦の別の例証的実施例を描写する。操縦５００は、第１の時間Ｔ１において、第１の方向５０４に進むビークル５０２を含み、同一ビークル５０２は、第２の時間Ｔ２において、第２の方向５０６に進み、同一ビークル５０２は、第３の時間Ｔ３において、第３の方向５０８に進む（ページ外に出る）。図５では、方向５０４、５０６、および５０８は例証目的のために、異なるように示されるが、いくつかの実施形態では、方向５０４、５０６、および５０８のうちの任意の２つまたは３つは、同一または実質的に異なり得る。いくつかの実施形態では、方向５０４、５０６、または５０８のうちの任意の２つは、直交し得る。ビークル５０２は、少なくとも１つのトランスデューサを使用して、第１の信号を第１の方向５０４に伝送し得る。ビークル５０２は、ドップラセンサを使用して、第１の信号のエコーを受信し得る。ビークル５０２は、時間Ｔ１、Ｔ１とＴ３との間の時間、またはＴ３後の任意の時間に、第１の信号のエコーを受信し得る。第２の信号は、第１の信号から以前に観測可能ではなかった速度状態の成分の測定値を伴い得る。ビークル５０２は、少なくとも１つのトランスデューサを使用して、第２の信号を第２の方向５０６に伝送し得る。ビークル５０２は、ドップラセンサを使用して、第２の信号のエコーを受信し得る。ビークル５０２は、時間Ｔ２またはＴ２後の任意の時間に、第２の信号のエコーを受信し得る。第３の信号は、第１および第２の信号から以前に観測可能ではなかった速度状態の成分の測定値を伴い得る。ビークル５０２は、少なくとも１つのトランスデューサを使用して、第３の信号を第３の方向５０８に伝送し得る。ビークル５０２は、ドップラセンサを使用して、第３の信号のエコーを受信し得る。ビークル５０２は、時間Ｔ３またはＴ３後の任意の時間に、第３の信号のエコーを受信し得る。

いくつかの実施形態では、第２のおよび第３の信号は、第１の信号と同一トランスデューサから伝送され得る。代替実施形態では、第２のおよび第３の信号は、１つ以上の第１の信号と異なるトランスデューサから伝送され得る。

第１、第２、および第３の信号の受信されたエコーに基づいて、ビークル５０２は、ビークルの速度状態の少なくとも一部を計算し得る。いくつかの実施形態では、ビークル５０２は、プロセッサ２０２等の処理回路を使用して、第１および第２の信号の各々に対するドップラシフトを計算し、それぞれのドップラシフトに基づいて、第１、第２、および第３の速度測定値を計算し得る。

図６は、一例証的実施形態による、可変深度ソナーシステムを使用するためのプロセスを描写する。プロセス６００は、ステップ６０２において、動作周波数帯域を決定し、ステップ６０４において、周囲圧力を決定し、ステップ６０６において、ソナー機器の動作周波数帯域を調節するステップを含む。

ステップ６０２では、ソナー機器に対する動作周波数帯域が、決定され得る。ソナー機器に対する周波数応答は、典型的には、ヌルを含み、動作帯域は、典型的には、ヌル間で生じるように設計される。例証的実施例として、ソナー受信機は、広帯域幅低周波数（ＢＢＬＦ）帯域および別個の高周波数（ＨＦ）帯域等、いくつかの動作帯域で動作するように設計され、意図的に作り出されたヌルが、２つの帯域を分離し得る。本情報は、ビークル上、例えば、メモリ２０８内に記憶され得る。

ステップ６０４では、周囲圧力が、決定され得る。周囲圧力を決定することは、ソナー機器またはソナー機器を搬送するビークルの現在の深度を決定することを含み得る。現在の深度と圧力とを相関させる所定の関係またはテーブルが、現在の深度に基づいて、周囲圧力を決定するために使用され得る。

ステップ６０６では、ソナー機器の動作周波数帯域が、周囲圧力に基づいて調節され得る。いくつかの実施形態では、中心動作周波数は、圧力に基づいて調節され得る。いくつかの実施形態では、圧力と周波数応答とを相関させる所定のテーブルが、最適中心動作周波数を決定するために使用され得る。いくつかの実施形態では、中心周波数は、周波数応答内のヌルおよび／または動作帯域内の上限または上界間の中心に置かれ得る。

図７は、一例証的実施形態による、ビークルの速度状態を計算するためのプロセスを描写する。プロセス７００は、ステップ７０２において、第１の信号を第１の方向に伝送することと、ステップ７０４において、第１の信号のエコーを受信することと、ステップ７０６において、第２の信号を第２の方向に伝送することと、ステップ７０８において、第２の信号のエコーを受信することと、ステップ７１０において、少なくとも１つの速度測定値を計算することと、ステップ７１２において、ビークルの速度状態を計算することとを含む。

ステップ７０２では、第１の信号が、第１の方向に伝送され得る。第１の信号は、少なくとも１つのトランスデューサを使用して、伝送され得る。ステップ７０４では、ドップラセンサが、使用され、第１の信号のエコーを受信し得る。

ステップ７０６では、第２の信号が、第２の方向に伝送され得る。第２の方向は、同一、実質的に同一、または第１の方向と異なり得る。いくつかの実施形態では、ビークルは、第２の方向が、第１の方向と実質的に異なるように、物理的に方向転換し得る。代替実施形態では、ビークルは、実質的に同一方向に進行し得るが、トランスデューサは、第２の信号が、第１の信号と実質的に異なる方向に伝送されるように方向転換され得る。いくつかの実施形態では、第２の方向は、第１の方向に直交し得る。いくつかの実施形態では、第２の信号は、第１の信号から以前に観測可能ではなかった速度状態の成分の測定値を伴い得る。第２の信号は、第１の信号と同一または異なるトランスデューサを使用して、伝送され得る。ステップ７０８では、ドップラセンサが、使用され、第２の信号のエコーを受信し得る。

ステップ７１０では、プロセッサ２０２等の処理回路が、少なくとも１つの速度測定値を計算し得る。いくつかの実施形態では、処理回路は、受信されたエコーに基づいて、第１および第２の信号の各々に対するドップラシフトを計算し、それぞれのドップラシフトに基づいて、それぞれの第１および第２の速度測定値を計算し得る。代替実施形態では、処理回路は、受信されたエコーに基づいて、第１の信号と第２の信号との間の時間内に進行された距離を計算し得る。本情報を使用して、処理回路は、２つの受信されたエコーに基づいて、単一速度推定を計算し得る。

ステップ７１２では、処理回路は、ビークルの速度状態を計算し得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの速度測定値が、少なくとも１つの速度測定値に基づいて、ビークルの速度状態の１つ以上の成分を更新する、航法フィルタに提供され得る。

図８は、一例証的実施形態による、別のビークルの速度状態を計算するためのプロセスを描写する。プロセス８００は、ステップ８０２において、第１の信号を第１の方向に伝送することと、ステップ８０４において、第１の信号のエコーを受信することと、ステップ８０６において、第２の信号を第２の方向に伝送することと、ステップ８０８において、第２の信号のエコーを受信することと、ステップ８１０において、第３の信号を第３の方向に伝送することと、ステップ８１２において、第３の信号のエコーを受信することと、ステップ８１４において、少なくとも１つの速度測定値を計算することと、ステップ８１６において、ビークルの速度状態を計算することとを含む。

ステップ８０２では、第１の信号が、第１の方向に伝送され得る。第１の信号は、少なくとも１つのトランスデューサを使用して、伝送され得る。ステップ８０４では、ドップラセンサが、使用され、第１の信号のエコーを受信し得る。

ステップ８０６では、第２の信号が、第２の方向に伝送され得る。第２の方向は、同一、実質的に同一、または第１の方向と異なり得る。いくつかの実施形態では、ビークルは、第２の方向が、実質的に、第１の方向と異なるように、物理的に方向転換し得る。代替実施形態では、ビークルは、実質的に同一方向に進行し得るが、トランスデューサは、第２の信号が、第１の信号と実質的に異なる方向に伝送されるように方向転換され得る。いくつかの実施形態では、第２の方向は、第１の方向に直交し得る。いくつかの実施形態では、第２の信号は、第１の信号から以前に観測可能ではなかった速度状態の成分の測定値を伴い得る。第２の信号は、第１の信号と同一または異なるトランスデューサを使用して、伝送され得る。ステップ８０８では、ドップラセンサが、使用され、第２の信号のエコーを受信し得る。

ステップ８１０では、第３の信号が、第３の方向に伝送され得る。第３の方向は、第１および第２の方向と同一、実質的に同一、または異なり得る。いくつかの実施形態では、ビークルは、第３の方向が、実質的に、第１および第２の方向と異なるように、物理的に方向転換し得る。代替実施形態では、ビークルは、実質的に同一方向に進行し続け得るが、トランスデューサは、第３の信号が、第１および第２の信号と実質的に異なる方向に伝送されるように方向転換され得る。いくつかの実施形態では、第３の方向は、第１または第２の方向のいずれかに直交し得る。いくつかの実施形態では、第３の信号は、第１および第２の信号から以前に観測可能ではなかった速度状態の成分の測定値を伴い得る。第３の信号は、第１および第２の信号と同一または異なるトランスデューサを使用して、伝送され得る。ステップ８１２では、ドップラセンサが、使用され、第３の信号のエコーを受信し得る。

ステップ８１４では、プロセッサ２０２等の処理回路は、ビークルの速度状態を計算し得る。いくつかの実施形態では、処理回路は、受信されたエコーに基づいて、第１、第２、および第３の信号毎にドップラシフトを計算し、それぞれのドップラシフトに基づいて、それぞれの第１、第２、および第３の速度測定値を計算し得る。代替実施形態では、処理回路は、第１、第２、および第３の信号のうちの任意の２つの間の時間内に進行された距離を計算し、距離情報を使用して、３つの信号のうちの任意の２つに基づいて、速度測定値を計算し得る。

ステップ８１６では、処理回路は、ビークルの速度状態を計算し得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの速度測定値が、少なくとも１つの速度測定値に基づいて、ビークルの速度状態の１つ以上の成分を更新する、航法フィルタに提供され得る。

そのような実施形態は、一例として提供されるにすぎないことは、当業者に明白となるであろう。多数の変形例、代替、変更、および代用が、本発明を実践する当業者によって採用され得ることを理解されたい。故に、本発明は、本明細書に開示される実施形態に限定されず、法律の下で許容される限り広範に解釈される、以下の請求項から理解されるべきであることを理解されるであろう。

Claims (10)

1. ビークルの速度状態を計算する方法であって、
   合成開口ソナー（ＳＡＳ）として画像を取得するための開口を含む少なくとも１つのトランスデューサを使用して、第１の信号を第１の方向に伝送することと、
   前記開口を使用して、前記第１の信号のエコーを受信することと、
   前記第１の信号を伝送することに続いて、前記少なくとも１つのトランスデューサを使用して、第２の信号を第２の方向に伝送することと、
   前記開口を使用して、前記第２の信号のエコーを受信することと、
   前記第２の信号のエコーを前記第１の信号のエコーと相関させることと、
   前記相関に基づいて、前記第２の方向に沿った前記ビークルの変位を計算することであって、前記第２の方向は、前記第１の方向と異なる、ことと、
   前記第１の信号の受信されたエコーおよび前記第２の信号の受信されたエコーに基づいた前記第１の信号と前記第２の信号との間の時間において進行された前記変位に基づいて、前記ビークルの少なくとも１つの速度状態を計算することと、
   前記ビークルの前記少なくとも１つの速度状態を航法フィルタに提供することと
   を含み、
   前記少なくとも１つのトランスデューサは、前記開口を含むパラメトリックトランスデューサを含み、前記開口は、直径Ｄを有し、前記変位は、Ｄ／２より大きい、方法。
2. 前記第１および第２の信号は、単一トランスデューサを使用して伝送される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の信号のエコーと前記第２の信号のエコーとを相関させることは、ビークルの進行方向に沿って、前記第１の信号のエコーおよび前記第２の信号のエコーを相関させることを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記第２の方向は、ビークルの進行方向である、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１および第２の信号は、海底上の第１の区域に照準される、請求項１に記載の方法。
6. ビークルの速度状態を計算するためのシステムであって、
   少なくとも１つのトランスデューサであって、前記少なくとも１つのトランスデューサは、
   第１の信号を第１の方向に伝送することと、
   前記第１の信号を伝送することに続いて、第２の信号を第２の方向に伝送することと
   を行うように構成されている、少なくとも１つのトランスデューサと、
   合成開口ソナー（ＳＡＳ）として画像を取得するための開口を有するセンサであって、前記センサは、
   前記第１の信号のエコーを受信することと、
   前記第２の信号のエコーを受信することと
   を行うように構成されている、センサと、
   処理回路であって、前記処理回路は、
   前記第２の信号のエコーを前記第１の信号のエコーと相関させることと、
   前記相関に基づいて、前記第２の方向に沿った前記ビークルの変位を計算することであって、前記第２の方向は、前記第１の方向と異なる、ことと、
   前記第１の信号の受信されたエコーおよび前記第２の信号の受信されたエコーに基づいた前記第１の信号と前記第２の信号との間の時間において進行された前記変位に基づいて、前記ビークルの少なくとも１つの速度状態を計算することと、
   前記ビークルの前記少なくとも１つの速度状態を航法フィルタに提供することと
   を行うように構成されている、処理回路と
   を備えており、
   前記少なくとも１つのトランスデューサは、パラメトリックトランスデューサを含み、前記開口は、直径Ｄを有し、前記変位は、Ｄ／２より大きい、システム。
7. 前記少なくとも１つのトランスデューサは、単一トランスデューサである、請求項６に記載のシステム。
8. 前記処理回路は、ビークルの進行方向に沿って、前記第１の信号のエコーおよび前記第２の信号のエコーを相関させることによって、前記第１の信号のエコーおよび前記第２の信号のエコーを相関させるように構成されている、請求項６に記載のシステム。
9. 前記第２の方向は、ビークルの進行方向である、請求項６に記載のシステム。
10. 前記第１および第２の信号は、海底上の第１の区域に照準される、請求項６に記載のシステム。

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