KR20060035750A - 2ｄ 및 3ｄ 영상을 위한 주파수-조정 음향 세트 배열 실시시스템 및 그 방법 - Google Patents

2ｄ 및 3ｄ 영상을 위한 주파수-조정 음향 세트 배열 실시시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

멀티플, 각도로 분산된 음향 비임을 송신하고 수신하는 주파수-조정 음향 세트 배열(30, 60, 120등)이 사용되어 2D 및 3D 영상을 발생시키도록 한다. 상기 세트 배열의 입력 펄스는 비-선형, 주파수-변조 펄스이다. 주파수-조정 음향 세트 배열이 일차 선형 그리고 이차 평면 및 곡선 구성으로 제공될 수 있으며, 단일 정렬, 멀티플 정렬 세트 배열로 동작되고, 주기적 또는 비 주기적 변환기 엘리먼트 간격을 사용하며, 그리고 기계적으로 주사되어 3D 부피 측정 데이터를 발생시키도록 한다. 멀티플 영상 필드 뷰가 위상-이동 세트 배열 변환기 엘리먼트 극성을 스위치하여 각기 다른 방향으로 발생될 수 있다. X-구성(150, 152, 164, 166)으로 배열된 멀티플 주파수-조정 세트 배열이 와이드, 연속 필드 뷰를 제공하며 T-구성(170, 172, 220)으로 배열된 멀티플 주파수 조정 배열이 직교하여 오리엔트된 필드 뷰를 제공한다. 기계적 비임 조정 모드, 전자적 시간-지연 및 위상 이동 비임 형성 모드 그리고 위상 비교 각도 평가 모드와 조합하여 주파수-조정 모드로 음향 세트 배열을 동작 시키기 위한 방법 및 시스템이 또한 제공된다.

Description

2Ｄ 및 3Ｄ 영상을 위한 주파수-조정 음향 세트 배열 실시 시스템 및 그 방법{SYSTEMS AND METHODS IMPLEMENTING FREQUENCY-STEERED ACOUSTIC ARRAYS FOR 2D and 3D IMAGING}
본 발명은 2003년 7월 11일자 미국 출원 제 60/485,981호, 그리고 2004년 3월 1일자 미국 특허 출원 제 60/549호를 우선권 주장 출원하며, 이들 특허 특원 전체가 원용된다.
본 발명은 2D 및 3D 소나(수중음파 탐지기) 및 초음파 장치 영상 시스템에서 사용되는 주파수-조정 음향 세트 실시 방법 및 시스템에 대한 것이다.
음향 변환기 세트에 의해 발생된 비임을 형성시키고 조정하기 위한 종래의 방법은 위상 또는 시간-지연 음향 펄스를 포함하며, 상기 세트의 단(stave)이 한 분리된 하드웨어 채널로서 샘플될 것을 필요로 한다. 비록 이 같은 방법이 효과적이고, 고-정렬 영상 시스템을 발생시킬 수 있으나, 이는 비용, 크기, 무게, 그리고 전력 요구를 증가시키는 하드웨어 채널 각각에 대한 상당한 지원 전자 장치를 필요로 한다.
레이더 분야에서는 주파수 스캐닝 레이더 기술을 사용하는 비임을 위치시키기 위한 주파수를 사용하였다. 이 같은 기술은 적절한 위상 이동을 제공하여 상기 주파수가 상기 배열의 메인 비임 조정 각을 결정하도록 하는, 안테나 세트에서의 지연 라인을 사용한다. 주파수-조정 비임 형성 시스템은 또한 위상이동 전자 장치 그리고 멀티-채널 음향 세트와 함께 소나 시스템에서 사용되어왔다. 이 같은 시스템은 특정 세트 디자인 그리고 광대역 펄스를 사용하여 각 영상 정보를 상기 주파수 도메인 내에 맵(map)하도록 한다. 이와 같은 시스템을 위한 비임 형성기는 시간-주파수(가령, 스펙트로그램, 위그너) 또는 시간-스케일(가령, 웨이브렛) 분해 테이터 처리 기술을 사용하여 디자인될 수 있다. 이 같은 접근 방법은 멀티플 비임 독립이 단일 하드웨어 채널을 사용하여 동시에 형성될 수 있도록 한다.
주파수-조정 음향 시스템은 공간적으로 떨어져 있는 비임을 형성하도록 프리즘 또는 회절 격자으로 들어가는 입사광선의 분산과 유사한 각 스펙트럼 분산을 사용한다. 광학 분야에서, 회절 격자은 고유한 세트의 이산 각을 사용하도록 디자인되며, 이를 따라서 각 면(작은 면)사이의 일정 간격 d에 대하여 상기 각 면 각각으로 부터의 회절 파가 어느 다른 각 면으로부터 회절 된 파와도 동 위상이도록 되며 따라서 상기 파가 간접성으로 결합된다. 상기 전통적인 송신 격자 방정식은 다음과 같다.
Figure 112006002077141-PCT00001
여기서 m은 ‘정렬’ 또는 각 면사이의 파장 의 수이다.
변수 m 그리고 d에 의해 정의된 격자 디자인의 경우, 방정식(1)은 각도 그리고 주파수사이의 맵핑을 제공한다. 블레이즈 회절 격자에서, 상기 개별 각 면은 몇 개의 그루브(groove) 각 χ 에의해 상기 세트의 평면으로부터 회전된다. 주파수-조정 시스템과 관련하여 여러 가지 회절격자의 중요한 특징은 θ , 상기 비임과 상기 격자 평면에 수직인 평면사이의 각도가 =-2, -1, 0, 1, 그리고 2인 때 파장에 대하여 도시된다. 먼저, 상기 제로 정렬은 주파수-독립이고 그리고 모든 주파수에 대하여 실수이다. 상기 제로 정렬 비임이 주파수의 함수로서 조정되지 않음으로, 이 같은 비임이 종래 시스템에서 사용되었는데, 이 때 상기 비임은 위상 이동 또는 시간-지연과 함께 조정된다. 그러나, 이 같은 주파수-독립 제로 정렬 비임은 주파수-조정 시스템에서 사용되지 않으며, 따라서 애메한 응답을 발생시키지 않도록 억압되어야 한다.
상기 제 1 네가티브 그리고 제 1 포지티브 정렬 비임은 λ/d=l에서 통상 ‘엔드-파이어(end-fire)'라 불리는 방향으로부터 가시적 영역(-90°내지 90°)으로 들어간다. 주파수가 증가하는 때, 상기 제 1 정렬 비임은 주파수가 한 옥타브 높은 곳, λ/d=0.5 에서 제 2 정렬의 비임과 결합된다. -90°내지 90°사이의 모든 각도에서, 상기 제 1 및 제 2 정렬 비임은 한 옥타브 스펙트럼 대역 폭만큼 분리된다. 이 같은 상기 제 2 정렬 비임은 한 옥타브 이상의 스펙트럼 대역폭이 사용되면 불명료하여 진다.
전통적인 송신 격자 방정식은 기본적인 주파수-조정 음향 비임 형성 방정식이다. 간단한 주파수-조정 비임 형성 및 처리 시스템이 도 1에서 개략적으로 설명된다. 좌에서 우로, 상기 도면은 펄스 발생기에 의해 발생된 그리고 주파수 fo... fn 로 구성된 광대역 음향 펄스(12)의 흐름을 도시한다. 광대역 펄스(12)로부터의 전기적 신호 출력은 프로젝터 전자장치(14) 그리고 주파수-조정 세트(16)로 구성된 음향 비임 형성기로 입력된다. 상기 음향 세트 방정식 (1)으로 정해지는 각 공간(θ) 그리고 주파수 f 사이의 공지의 비선형 관계를 갖는 주파수-분산 사운드 필드(18)를 발생시키도록 디자인된다. 이와 같이 하여, 다수의 음향 주파수를 담고 있는 광대역 신호가 주파수-조정 세트내로 보내지며 주파수에 종속하는 각기 다른 각 방향을 갖는 음향 비임 세트로서 출현된다.
브레이즈된 세트(16)로부터의 상기 주파수-분산 사운드 필드(18)가 상기 주변 환경 및/또는 표적(20)과 상호 작용하며, 백 스캐터된, 주파수 분산 사운드 필드(22)가 주파수-조정 세트로서 형성된 수신기 세트(24)로 입사되며, 광대역 신호(28)내로 재결합된다. 따라서 반사된 신호들이 송신된 것과 같은 각도로 수신되며, 상기 주파수-조정 세트에 의해 재결합되어 단일 광대역 수신 신호를 형성하도록 한다. 다음에 아날로그 및 디지털 처리 기술이 광대역 신호로 적용되어 상기 주파수를 분리시키도록 하며 메디컬 초음파 시스템의 것과 유사한 영상을 발시키고 디스플레이하도록 한다.
음향 사운드 필드를 주파수-조정하기 위한 한 시스템이 상기 세트의 평면으로부터 한 각도로 배열된 음향 엘리먼트 능동 각 면을 갖는 “블레이즈 세트”를 사용한다. 미국 특허 제 5,923, 617 호는 인접 음향 엘리먼트들이 서로 떨어져 있는, 제형 편대(echelon)로 형성된 다수의 스텝형 음향 엘리먼트들을 포함하는 블 레이즈 음향 세트 사용 소나 시스템을 설명한다. 상기 특허에서 설명된 블레이즈 세트는 제 1 정렬(fun=1) 세트이며, 각 면사이에서 단일 파장 간격을 갖는다. 상기 특허는 더욱 높은 정렬 및 멀티-정렬 모드가 디자인될 수 있음을 인식한다.
상기 블레이즈 세트 및 시간-주파수 비임 형성의 가장 간단한 실시는 단일 채널 2D 영상 소나 시스템에서이다. 단일 채널 블레이즈 세트 그리고 스펙트럼-바탕의 비임 형성기를 사용하는 데이터 수집이 R. L. Thompson et al.,"Two Dimensional and Three Dimensional Imaging Results Using Blazed Arrays(블레이즈 세트를 사용 2차원 및 3차원 영상 결과), "IEEE Oceans 2001 proceedings, pp. 985-988, vol. 2에서 제공된다. 상기 공개에서 3D 부피 측정을 제공하기 위해 종래의 세트 디자인 그리고 비임 형성 기술 컴비네이션으로 블레이즈 세트 실시를 설명한다. 하나의 3D 구성이 수직으로 오리엔트된 그리고 수평으로 유동되는 블레이즈 세트를 사용하여 수평 합성 구경을 발생하도록 하였다. 3D블레이즈 합성 구경 소나 데이터로부터 만들어진 여러개의 뷰가 제공된다. 상기 2D 및 3D 시스템이 단일 하드웨어 채널로 실시 되었다.
본 발명의 방법 및 시스템은 주파수-조정 음향 세트 그리고 시간-주파수 신호 분석을 사용하여 주파수로 조정된 멀티플, 각 분산 비임을 발생시키는 음향 영상 시스템을 제공하도록 한다. 이들 주파수-조정 시스템은 데이터 처리 기술로 실시 되어, 단일 하드웨어 채널을 사용하는 2D 영상을 발생시키도록 하는 데, 이는 상기 주파수-조정 세트가 분리된 주파수 채널내로 상기 비임 신호들을 효과적으로 다중화하기 때문이다. 상기 주파수-조정 세트 기술이 종래의 세트 디자인 그리고 비임 형성 기술과 함께 사용된다면, 본원 발명의 3D 음향 영상 시스템이 종래의 2D 시스템에서 필요로하는 것과 동일한 수의 하드웨어 채널을 사용하여 실시 될 수 있다. 이들 시스템은 상기 줄어든 수의 하드웨어 채널 대역 폭이 증가하여 추가의 공간 정보를 운반하도록 하기 때문에 동일한 데이터 속도로 동작된다. 따라서 주파수-조정 세트 영상 시스템이 단일 송신으로 전체 영상을 수집할 수 있으며, 높은 프레임 속도로 높은 정렬 영상를 제공하며 낮은 영상 장면 안정도를 필요로 한다.
소나 시스템에서 2D 및/또는 3D 영상을 제공하기 위해 주파수-조정 세트를 사용함으로써, 다수의 장점을 제공한다. 첫째로, 상기 주파수-조정 세트가 단일 광대역 신호를 사용하여 멀티플 비임을 발생시키기 때문에, 한 영상을 발생시키기 위해 필요한 아날로그 전자장치의 양이 종래의 영상 소나에서의 경우보다 크게 줄어든다. 필요한 전자 장치를 줄임으로써, 상기 영상 소나가 크게 작아지고, 덜 비싸며, 그리고 종래의 영상 소나보다 적은 전력을 필요로 한다. 영상 소나에서 주파수-조정 세트를 사용하는 또 다른 장점은 옅은 수중에서도 높은 품질의 영상을 발생시킬 수 있다는 것이다. 종래의 작은 소나 장치는 상대적으로 폭이 넓은 비임으로 협 대역 주파수를 사용하여 송신 및 수신한다. 옅은 수중에서 이들 폭이 넓은 비임 신호는 많은 표면으로부터 반사되는 경향이 있으며 멀티-경로 간섭(multi path interference)이라는 것을 발생시킨다. 이들 멀티-경로 신호들은 다중 방향으로부터(같은 표적으로 부터) 되돌아오며 혼란스런, 혼동되는 소나 영상을 만들게 된다. 주파수-조정 영상 시스템은 송신 및 수신 모드에서 많은 좁은 비임을 발생시킬 수 있기 때문에, 상기 시스템은 멀티-경로 신호에 덜 영향을 받으며 옅은 수중 환경에서 종래의 소나 장치에서 보다 잘 수행한다.
본 발명의 영상 방법 및 시스템은 단일 정렬 세트에서 m=½, m=¼, m=1/8 or m=1/n 의 정렬을 갖는 주파수-조정 음향 세트로 한 입력 신호로서 광대역 음향 펄스를 사용하거나, 멀티플 정렬 세트에서 하나 또는 두 개 이상의 정렬 컴비네이션을 사용한다. 상기 광대역 펄스는 FM펄스, 스케일-스위프 웨이브렛 펄스 트레인, 멀티-웨이브렛, 멀티-주파수 펄스일 수 있으며, 상기 세트의 스케일 구경 기능, 또는 또다른 타입의 광대역 음향 펄스에 의사-무작위, 부속 또는 중첩 서브-펄스 시리즈일 수 있다. 상기 광대역 음향 펄스는 동등한 에너지를 상기 주파수-조정 비임 각각으로 전달하는 것이 바람직하다.
주파수-조정 음향 세트는 다양한 재료로부터 구성될 수 있으며 다양한 구성으로 제공된다. 적절한 음향 변환기가 납 지르코늄 티타늄산염(PZT), 폴리비닐라덴 플루로라이드(PVDF)와 같은 통상의 압전 재료로 구성될 수 있으며, 마이크로 전기 기계 시스템(MEMS) 기술을 표함하는 다양한 종래 기술을 상용하여 구성될 수 있다. 상기 음향 변환기 세트가 단일 층으로 제공될 수 있거나, 멀티플 음향 변환기 층이 스택으로 쌓여서 멀티플 층을 형성하도록 할 수 있다. 상기 주파수-조정 기술이 상기 시스템 대역 폭 일부를 사용하여 각 정렬을 제공하기 때문에, 광 대역 폭 기능을 제공하는 변환기 기술은 보다 큰 뷰 필드를 제공할 것이다. 적절한 음향 변환기 세트 재료 그리고 구성 방법은 당업자에게 잘 알려져 있다.
상기 음향 세트는 기본적으로 납작하거나 굴곡 구성으로 단일의 행 또는 열 엘리먼트를 갖는 일차원 “선형” 세트로서 제공될 수 있다. 멀티플 행렬 엘리먼트가 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형 그리고 다른 다각형 구성과 같은 다양한 구성을 갖는 납작한 배열로 제공되는 이차원 “평면” 세트가 사용될 수 있기도 하다. 원통, 부분적 원통, 원추형, 부분적 원추형 그리고 다른 굴곡 구성으로 배열되는 다수의 열 그리고/또는 행을 갖는 이차원의 곡선 세트가 또한 본 발명의 방법 및 시스템에서 사용될 수 있기도 하다.
상기 음향 변환기 세트는 멀티플 엘리먼트를 위한 한 공통 연결을 제공하고 송신기 및/또는 수신기 제어 시스템 그리고 전자 장치와의 통신을 제공하는 전자 장치 구조로 전자적으로 연결된다. 상기 전자 장치 구조에는 음향 변환기 엘리먼트가 일체로 제공되거나, 이로부터 분리되지만 상기 세트 엘리먼트에 전기적으로 연결될 수 있다. 이 같은 구조는 아날로그 또는 디지털 형태로 실시 될 수 있으며 아날로그 또는 디지털 컴포넌트와 연결되어, 세트 미세한 변화, 고정 또는 가변 위상 이동 또는 시간 지연, 전자 장치 채녈 및 엘리먼트 세트, 신호 증폭, 또는 다른 기능사이의 스위칭 상호 연결을 제공하도록 한다. 여기서 “주파수-조정” 또는 “주파수-조정 가능” 세트라 함은, 음향 변환기 엘리먼트 그리고 컴비네이션으로 입력 음향 펄스를 주파수-조정할 수 있는 관련된 전자장치 구조 모두를 의미하는 것이다.
주파수-조정 세트는 송신 및/또는 수신 모드로 실시 될 수 있으며, 본 발명의 영상 시스템은 주파수-조정 세트를 배타적으로 사용할 수 있다. “양-방향 비임 패턴 장점”은 음향 신호가 동일하며, 나란히 배치된 세트에서 송신되고 수신되는 때 실현된다. 이 같은 상황에서, 상기 비임 폭은 줄어들어서 보다 나은 정렬을 제공하도록 하고, 상기 사이드 로브가 줄어들어서 줄어든 간섭 레벨을 제공하도록 한다. 선택에 따라, 본 발명의 영상 시스템은 또다른 비-주파수-조정 음향 세트 또는 변환기와 컴비네이션으로 주파수-조정 세트를 사용할 수 있다. 한 실시 예에서, 한 주파수-조정 세트가 종래의 세트에서와 같은 평면으로 오리엔트될 수 있으며, 특히 한 주파수-조정 세트가 종래의 세트와는 직교하여 오리엔트 될 수 있기도 하다. 한 실시 예에서, 짧은-수직 주파수-조정 세트가 수직 크기를 통하여 비임을 스위프하며, 길고 얇은 종래의 음향 세트가 한 수신기로 사용된다. 이 같은 시스템은 3D 영상 능력을 제공하며 사이드-스캔닝 소나 응용에 잘 맞는다.
일차원 선형 세트, 이차원 선형 평면 세트, 이차원 원통형 곡선 세트, 이차원 원뿔 곡선 세트 그리고 이차 스택 원뿔 곡선 세트를 포함하는 주파수-조정 세트는 “쉐이딩(shading)” 또는 “언-쉐이딩(unshading)” 세트로 동작될 수 있다. “빗금 친” 세트에서, 신호 진폭의 감소는 중심으로부터 상기 세트의 바깥 측 엘리먼트를 향해 이동하도록 된다.
쉐이딩은 상기 세트의 비임 패턴에서 사이드 로브 레벨을 줄이는 영향을 갖는다. 선택적으로, 본 발명의 주파수-조정 세트는 동일한 진폭 신호들이 상기 세트 엘리먼트로 적용되는 언-쉐이딩 모드로 동작될 수 있다. 쉐이딩은 아날로그 또는 디지털 컴포넌트를 통하여 실시 될 수 있으며 상기 개별 엘리먼트의 크기를 공간적으로 변경시킴으로써 실시 될 수 있다.
상기 설명된 바와 같이, 식(1)의 변수 m은 세트의 “정렬(order)를 제공한다. 이는 간격이 d인 세트의 두 연속 엘리먼트사이 가 간접성의 파장의 수 또는 일부이다. 도 2A-D는 주기적 세트에서의 상기 세트 정렬의 개념을 설명하며, 도 3A-D는 인접한 엘리먼트사이 동등한 간격 또는 위상을 갖는 상기 각기 다른 정렬의 ”주기적“ 세트를 사용하여 발생된 수평 비임 패턴을 도시한다. 도 2A는 파장 1의 정렬 엘리먼트 간격 d를 사용하여 m=1 디자인을 갖는 ”블레이즈(blazed)" 세트의 두 엘리먼트를 도시한다. 상기 엘리먼트 각각은 한 블레이즈 각씩 상기 세트의 평면으로부터 회전된다.
상기 세트의 엘리먼트 각각에 의해 발생된 개별 비임 패턴은 엘리먼트의 회전이 -45°로 미러 영상 로브를 발생시키기에 충분하게 좁으며, 도 3A에 도시된 바와 같이, 0에서의 상기 브로드 사이드 로브는 압축되도록 된다. 도 2B는 ½ 파장의 정렬에서 엘리먼트 간격 d를 사용하고, 교대하는 극성 위상 그리고 엘리먼트 회전을 모두 사용하여 m=½ 블레이즈 세트 디자인을 설명한다. 도 3B에서 도시된 바와 같이, 상기 교대하는 극성 위상은 0에서 브로드 사이드 로브를 억압하고, 상기 엘리먼트 회전은 -45°에서 상기 미러 영상 로브를 억압한다. 이 같은 m=½ 세트 디자인은 한 신호 하드웨어 채널을 사용하여 전자 장치로 실시된다.
도 2C는 엘리먼트 위상을 사용하고 엘리먼트 회전을 사용하지 않는 ¼ 파장 정렬에서 엘리먼트 간격 d를 사용하여 m=¼ 세트 디자인을 설명한다. 상기 위상은 단독으로 유사한 미러 영상 그리고 브로드 사이드 로브를 억압한다. 이 같은 세트에 의해 발생된 수평 비임 패턴은 도 3C에서 도시된다. 이 같은 디자인은 개선된 억압을 제공하며, 그리고 두 개 이상의 하드웨어 채널에 대한 전자 장치를 필요로 하게 된다.
도 2D는 1/8 파장의 정렬에서 엘리먼트 간격 d를 갖는 m=1/8 세트 디자인을 도시한다. 도 3D에서 도시된 바와 같이, m=1/8디자인은 어떠한 엘리먼트 회전도 없는 분명치 않은 로브 억압을 제공한다. 그러나, 이는 상기 메인 로브의 위치를 0° 에 근접한 위치로 이동시키기도 한다. 이 같은 메인 로브의 이동은 같은 대역의 주파수를 사용하여 보다 큰 각도 필드를 발생시키기 위해 두개의 정렬을 결합시킴으로써 유리하게 사용될 수 있다. m=¼, m=1/8, 그리고 보다 일반적으로 m=1/7 인 정렬을 갖는 주기적 주파수-조정 세트가 본 발명의 방법 및 시스템에서 사용됨으로써, 인접한 세트 엘리먼트들 사이 고정된 또는 선택적으로 선택가능한 위상 이동을 사용하여 동작된다.
45°의 블레이즈 각을 갖는 언-쉐이딩 정렬 m=½ 블레이즈 주파수-조정 세트 디자인에 대한 수평 비임 패턴이 도 4에 도시된다. 이 같은 주파수-조정 세트에 대한 비임 세트는 세 주파수; 300 kHz (실선); 390 kHz (긴 쇄선); 그리고 480 kHz (짧은 쇄선)에 대하여 도시된다. 상기 m=½ 디자인이 특히 유용한 실시 인데, 이는 상기에서 설명한 바와 같이 짝 수의 세트에서 이 같은 세트에서의 상기 포지티브 및 네가티브 위상 밸런스가 제로-정렬 비임을 영으로 하기 때문이다. 또한, 한 주파수-조정 시스템에 대하여 상기 주파수 대역을 선택하는 때, 상기 세트의 비임 패턴에서 두 개 이상의 로브를 자극 하지 않는 주파수 대역을 선택하는 것이 중요하다. 이는 상기 멀티플 액티브 로브로부터 멀티플 리턴을 발생시킬 수 있다.
한 음향 방사 패턴에서의 제 1의 피크(비임)는 상기 격자 또는 세트의 해상력에 의해 결정된 한정된 폭을 갖는다. 각도 θ만큼 상기 세트 둘레에서 조정된 N엘리먼트의 선형, 언-쉐이딩 세트에 대한 상기 제 1 최대값 반-파워 레벨(제 1 최대값으로부터 -3dB)에서 상기 각도 폭 Δθ0 가 다음 식으로 제공된다.
Figure 112006002077141-PCT00002
상기 식 (2)는 상기 세트의 정렬이 정렬 m과는 무관하며 파장 λ와 구경Nd 그리고 비임 각 θ사이의 비(ratio)만으로 결정되는 것임을 설명한다. 상기 식에서 Ndcosθ는 각 θ로부터 도달되는 파면과 만나는 유효 구경으로 생각 될 수 있다. 따라서 상기 정렬은 상기 유효 구경의 길이에 해당되는 파장 수 역수로서 표시될 수 있다. 상기 입사각이 증가함에 따라, 상기 유효 구경은 감소되며 상기 정렬은 떨어진다. 상기 조정 각 또는 주파수-조정 세트에서의 주파수 변경은 이임 폭을 변경시키며 따라서 상기 정렬을 변경시킨다. 도 4에서 도시된 상기 수평 비임 패턴은 상기 비임 폭이 상기 메인 비임이 45°에서 27°까지로 주파수-조정되기 때문에 m=1/2에서 감소된다. 상기 비임 폭은 사실 상기 비임이 이 같은 레인지에서 스위프되는 때 거의 2의 인수로 변경된다.
한 실시 예에서, 본 발명의 주파수-조정 세트는 각기 다른 방향으로 두 개 이상의 영상 필드 뷰를 발생시킨다. 적절한 송신 신호, 수신 전자 장치 그리고 데이터 처리 루틴을 선택함으로써, 두 개 이상의 영상 필드가 동시에 작동되거나, 혹은 단 하나의 필드 뷰만이 필요한 때 한 번에 하나씩 작동된다. 가령 m=1/4 정렬 세트에서, 두 개의 필드 뷰가 0도 과 90도 세트 엘리먼트들, 180도 과 270도 세트 엘리먼트들을 함께 전기적으로 연결시키고, 그리고 이들을 180도 위상 이동으로 또는 +/- 극성으로 구동시킴으로써 상기 세트 주위에서 대칭인 방향으로 한 송신 모드에서 동시에 발생될 수 있다. 이 같은 실시 예에서, 상기 세트는 같은 수의 + 및 - 위상을 가지며, 상기 세트에 수직인 방향의 비임이 삭제된다.
선택적으로, 상기 네 개의 세트 엘리먼트(0도, 90도, 180도, 270도) 각각은 함께 연결될 수 있으며, 90도 및 270도의 엘리먼트 극성을 -90도 그리고 -270도(즉 90도 및 270도 엘리먼트를 상호 교환한다.)의 엘리먼트 극성으로 바꿀 수 있어서, 한번에 상기 필드 뷰 하나씩 한 송신 모드에서 동작할 수 있도록 한다. 상기 수신 세트는 선택적으로 또는 동시에 수신된 필드 뷰에 대하여 선택하도록 유사하게 구성될 수 있다.
한 주파수-조정 세트를 사용하여 발생된 단일 또는 멀티플 영상 필드가 하나 또는 둘 이상의 추가 세트로부터 필드 뷰와 결합되어 보다 큰 연속 또는 불-연속 필드 뷰와 결합될 수 있다. 상기 두 주파수-조정 세트는 “X-구성”으로 배열될 수 있어서, 상기 두 세트가 같은 평면에서 서로 고정된 각으로 배열되어 연속의, 큰 필드 뷰를 제공하도록 한다. 선택에 따라, 두 개의 주파수-조정 세트는 “T-구성”으로 배열되며, 이 같은 구성으로 상기 두 세트가 직교하는 평면으로 배열되며, 서로 고정된 각으로 배열되는 세트 페이스를 가져서, 결합된 수직 및 수평 영상 정보를 제공하도록 한다.
음향 변환기 엘리먼트 간격은 이웃하는 세트 엘리먼트사이의 거리 및/또는 위상 이동이 일정한 때 “주기적”인 것으로 된다. 본 발명의 방법 및 시스템은 이웃하는 세트 요소사이의 거리 및/또는 위상 이동이 일정하지 않은 비 주기적인 음향 세트를 사용할 수 있다. 가령 정합 필터 뱅크가 디자인되고 사용되어 비 주기적인 주파수-조정 세트에 대한 적절한 공간 필터링을 제공하도록 할 수 있다. 상기 세트는 공간적으로 ‘주파수-변조‘패턴(가령 상기 세트를 따라 계속적으로 다른 간격)으로, 또는 공간적으로 ’주파수-도약‘ 패턴(가령, 상기 세트의 각기 다른 섹션을 따라 각기 다른 간격), 또는 임의의 또는 의사-무작위 공간 구성으로 비주기적으로 간격이 떨어져 있게 된다. 이 같은 세트는 상기 세트의 브로드 사이드 축 둘레에서 대칭인 각기 다른 각으로부터 도달하는 신호들 사이 불명료함을 해결하며 이에 대하여 하기에서 상세히 설명한다.
시간-주파수 신호 분석이 사용되어 영상을 발생시키기 위해 주파수-조정 세트 신호를 분석하도록 한다. 펄스가 송신되고, 상기 표적으로부터 반사되며, 그리고 수신된뒤, 상기 비임 신호가 상기 브로드 신호로부터 분석된다. 주파수-조정 영상 시스템이 이상적으로 디자인되어, 방사선 또는 수신 각 그리고 한 신호의 도메인사이 명료한 맵핑을 발생시키도록 하며, 상기 레인지 정보가 시간 도메인내로 맵핑된다. 상기 수신 모드에서, 상기 목적은 신호를 처리하여 상기 수신된 신호로부터 최대 양의 각도 및 레인지 영상 정보를 얻도록 한다.
주파수-조정가능 음향 세트는 종래의 기계적 비임 조정 모드, 종래의 전자 시간-지연 및 위상 이동 비임 형성 모드, 그리고 위상 비교 각 평가 모드와 같은 또다른 비임 조정 또는 비임 형성 모드와 컴비네이션으로 주파수-조정 모드로 동작될 수 있다. 2D 및 3D 음향 영상 시스템은 영상 품질을 증가시키고 3D 영상 시스템을 발생시키기 위해 컴바인된 기술을 사용하여 실시될 수 있다.
도 1은 영상을 발생시키기위한 주파수-조정 음향 세트 시스템 및 비임 형성기 개략적 설명을 도시한 도면.
도 2A-2D는 점점 감소하는 순차로 네 개의 주파수-조정 세트 디자인을 도시하며, 도 2A는 m=1 세트 디자인을 도시하고; 도 2B는 m=½ 세트 디자인을 도시하며; 도 2C는 m=¼배열 디자인을 도시하고; 그리고 도 2D는 m=1/8 세트 디자인을 도시한다.
도 3A-3D는 도 2A-2D에서 설명된 주파수-조정 세트 디자인에 의해 형성된 수평 비임 패턴을 도시하는 도면.
도 4는 300 kHz (실선), 390 kHz (긴 쇄선) and 480 kHz (짧은 쇄선)의 주파수에 대해 도시된, 45도의 블레이즈 각(blaze angle)을 갖는 빗금치지 않은 m=½ 주파수-조정 세트에 의해 형성된 수평 비임 패턴을 도시하는 도면.
도 5A 및 도 5B는 m=½ 주파수-조정 세트에 대한 두 전자 구성을 도시한 도면.
도 6A 및 도 6B는 m=¼ 주파수-조정 세트에 대한 두 전자 구성을 설명하는 도면.
도 7은 공간적으로 ‘주파수-도약(frequency-hopped)’ 비주기적 음향 세트 구성을 도시하는 도면
도 8A-8C는 멀티-정렬 주파수 세트에 대한 엘리먼트 배열을 개략적으로 도시 하는 도면.
도 9A-D는 본 발명의 단일, 주파수-조정 배열을 사용하는 소나 실시의 단일 필드를 도시하는 도면.
도 10은 도 9A-9D의 소나 시스템에 대한 개략적 블록 다이아그램을 도시하는 도면.
도 11A-D는 본 발명의 단일 주파수-조정 세트를 사용하는 포워드 룩킹 및 다운워드 룩킹 능력 모두를 제공하는 소나 실시의 이중 필드를 도시하는 도면.
도 12A-D는 오버 랩핑, 와이드 필드 뷰를 제공하기위해 X-구성으로 배열되는 두 주파수-조정 세트를 사용하는 실시를 도시하는 도면.
도 13A는 단일, 멀티-정렬 세트(m=¼, m=1/8)에 의해 발생된 뷰 필드를 개략적으로 도시하는 도면.
도 14A-D는 이차원으로 영상 정보를 제공하는 T-구성으로 배열된 멀티플 주파수-조정 세트의 실시를 개략적으로 설명하는 도면.
도 15A-D는 X-구성으로 배열된 두 개의 주파수-조정 세트를 포함하는 멀티-세트 실시를 설명하며, 한 방향으로 와이드 필드 뷰를 그리고 직교하는 방향으로 두 필드 뷰를 중첩하여 제공하는 실시를 설명하는 도면.
도 16A-F는 다양한 주파수-조정 세트 그리고 주파수-조정 세트 어셈블리를 기계적 조정 메카니즘과 컴비네이션으로 다양한 2D 및 3D영상 필드를 발생시키도록 함을 개략적으로 도시하는 도면.
도 17A-D는 수직 축으로부터 기울어진 그리고 3D 평면에서 그리고 3D 부피 측정 데이터 세트를 발생시키기위해 회전 스캔된 평면에 정렬된 이차원 원형 배열을 보여주는 단일 필드를 개략적으로 도시하는 도면.
도 18은 이차원 평면 장방형 세트를 사용하는 주파수-조정 및 종래의 시간-지연 비임 형성 3D 영상 실시를 설명하는 도면.
도 19는 원추형 곡선 세트를 사용하는 주파수-조정 및 종래의 비임 형성 (위상 시프트 또는 시간 지연) 3D 영상 실시를 설명하는 도면.
도 20A-D는 3D 부피 측정 데이터 세트를 발생시키위해 주파수-조정되는 그리고 종래의 비임 형성된 원뿔 절두형상 콘을 갖는 이차원 곡선 세트를 실시 하는 세트 디자인을 개략적으로 도시하는 도면.
도 21은 수직 크기 주파수 조정 그리고 직교하는 (원통형) 크기의 종래 비임 형성을 컴바인하여, 두 수직 그리고 수평 방향 모두에서의 와이드 뷰 필드를 제공하도록 하는 이중 원추형 세트 어셈블리를 설명하는 도면.
본 발명의 주파수-조정 음향 세트 시스템 그리고 본 발명의 방법에 대한 상세한 설명이 하나 또는 둘 이상의 주파수-조정 세트로 한 입력 신호로서 광대역 음향 펄스를 사용하며, 상기 주파수-조정 세트가 블레이즈되고 위상 이동될 수 있는 변환기 엘리먼트 규칙적인 또는 불규칙적인 간격 또는 단계를 가질 수 있고, 그리고 단일 또는 멀티플 정렬의 구성으로 제공될 수 있으며, 송신 또는 수신 모드로 동작될 수 있다. 멀티플 주파수-조정 음향 세트 시스템은 X- 또는 T-구성으로 배열되어, 바람직한 필드 뷰를 제공하도록 할 수 있고, 선택된 세트 구성이 선형 또 는 회전 기계적 스캐닝 모드로 사용되어 2D 그리고 3D 영상을 발생시키기 위해 처리될 수 있는 다양한 2D 및 3D 데이터 세트를 발생시키도록 한다.
송신 모드로 동작되는 주파수-조정 음향 세트로의 입력 펄스는 바람직하게는 FM 펄스와 같은 광대역 펄스, 스케일-스위프 웨이브렛 펄스 트레인, 멀티-웨이브렛(작은 파) 또는 멀티-주파수 펄스 또는 또다른 광대역 펄스이다. 상기 입력 펄스는 동등한 에너지를 주파수-조정 비임으로 전달한다. 주파수를 통하여 펄스를 적절히 스위프(sweep)하는 것은 상기 세트의 전 구경을 사용하고, 협 밴드 비임 신호 품질을 유지시키며, 그리고 간섭 사이드 로브를 줄이는 데 중요하다.
주파수-조정 세트 출력 펄스를 위해 정렬이 또한 고려된다.
위상 속도 c로 일정 매체에서 종래(제로-정렬) 비임 형성 기술을 사용하여, 상기 전파에서의 최소 정렬, 또는 ‘레인지’ 방향이 다음 식으로 정해진다.
Figure 112006002077141-PCT00003
그러나 주파수-조정 영상을 위해서는 종래 정렬 및 격자 이론에 대한 몇 가지 수정이 필요하다. 펄스 주기 및 대역 폭 유효 파라미터를 계산하기 위한 여러 방법이 있다. 상기 전체 펄스에 대한 반-파워 측정이 종래의 음향 세트 시스템 디자인에서 사용된다. 그러나 주파수-조정 세트 시스템의 경우 레인지 분석을 계산하기 위해 식(3)을 사용한다면 이 같은 측정을 사용함과 관련하여 기본적인 문제가 있다. 상기 주파수-조정 세트는 각도 종속 스펙트럼 필터로서 사용될 수 있다. 다시 말해서, 특성이 입사각에 종속하는 스펙트럼 협 필터 스펙트럼으로서 작용한다. 따라서 일정한 입사각으로 포인트된 비임의 경우, 상기 세트가 어떠한 광대역 송신 또는 수신 펄스로부터 특정 대역 또는 ‘서브-펄스’를 필터해낸다. 긴 주파수 변조(FM) 입력 펄스를 사용하여, 한 주파수-조정 세트에 의해 발생된 상기 서브-펄스가 각기 다른 각도 방향으로 방사되거나 각기 다른 각도 방향으로부터 수신되며, 상기 비임의 특정 대역 또는 서브-펄스만이 그 같은 비임에 대한 레인지 정렬에 기여한다. 따라서 상기 전체 펄스에 대한 반-파워 측정이 그 같은 비임을 통하여 달성될 수 있는 단일 비임의 대역 폭 그리고 정렬을 부정확하게 평가 한다.
일정한 입사 각의 경우, 상기 주파수-조정 세트는 서브-펄스를 필터한다. 특정 대역의 서브-펄스가 레인지-정렬 평가에 대하여 사용될 수 있다. 상기 식 (1)에서 각도 대 주파수 관계가 한 비임의 스팬에서 효과적으로 선형이도록 상기 비임 폭이 충분히 작다고 먼저 가정함으로써, 각 b1에서 최대인 주파수-조정 세트 비임에 대한 이같은 대역 폭을 평가 할 수 있다. 이 같은 가정은 협 비임 (가령, 영상) 응용에 대한 허용 가능한 접근 방법이다. 다음에 상기 포인팅 각도 θ는 비임 θ- 그리고 비임 θ+에서 반-파워 포인트들 사이 중간에 위치하여 진다. 이 같은 중간 점 가정이 식(1) 그리고 식(2)와 컴바인 된다면, 어떠한 각도 θ에서 상기 비임에 의해 스팬된 상기 대역폭 Bf은
Figure 112006002077141-PCT00004
식 (4)는 유효 대역 폭으로서 상기 식(3)내로 삽입될 수 있어서 상기 주파수-조정 세트에 대한 각도-종속 레인지 정렬을 다음과 같이 계산하도록 한다.
Figure 112006002077141-PCT00005
상기 유효 펄스 주기는 또한 상기 송신 펄스의 Hz/sec로 정해지는 상기 유효 대역폭 그리고 스위프 속도 α를 사용하여 결정될 수 있다. 만약 상기 펄스 변조가 시간상 비-선형이라면, 상기 스위프 속도는 각도의 함수가 될 것이고, 상기 각도 각각에서 유효 펄스 주기는
Figure 112006002077141-PCT00006
그리고 상기 각도 θ에서 상기 유효 스펙트럼 해상도(분석)는
Figure 112006002077141-PCT00007
그리고 상기 각도 θ에서 상기 유효 스펙트럼 해상도(분석)는 따라서 상기 일정 주파수-조정 세트 그리고 송신 펄스 컴비네이션에 대한 θ에 위치한 비임의 시간-대역폭 곱은
Figure 112006002077141-PCT00008
상기 시간-대역 폭 곱, 그리고 따라서 한 비임에 대한 분석 파워는 상기 펄스의 스위프 속도에 크게 종속한다.
주파수-조정 세트 영상 시스템의 비임을 표준화하는 한 가지 방법은 각도 각각에서 상기 ‘서브-펄스가 상수 TBf 곱을 갖도록 상기 출력 펄스를 디자인 하는 것이다. 다음에 서브-펄스 각각은 같은 에너지를 갖는다. 일정한 서브-펄스 에너지를 갖는 펄스는 상기 펄스 가 상수 TBf를 지시키도록 발생되기 때문에 식 (8)을 사용하여 상기 스위프 속도에 대하여 풀므로써 발생될 수 있다. 주파수가 증가 함에 따라, 대역폭이 증가하며 펄스 주기가 비례하여 감소된다. 따라서 바람직한 실시 예에서, 상기 입력 신호 스위프 속도는 일정하지 않으며 상기 입력 펄스가 비-선형 주파수-변조 펄스이다. 상수 TBf=1을 유지시키는 펄스들이 이론적으로 처리되어 식(2)에 의해 결정되는 전 회전-제한 방위각 해상도(분석) 그리고 정합 필터를 사용하여 식(5)에 의해 결정되는 전 대역폭-제한 레인지 해상도(분석)를 찾도록 한다.
상기에서 설명되는 바와 같이, 교대 극성 위상 및 엘리먼트 회전을 모두 사용하는 정렬 m=½을 갖는 주파수-조정 블레이즈 세트가 많은 2D 영상 응용에 유용하다. 송신 및 수신 모드 모두로 동작되는 m=½ 주파수-조정 음향 세트에 대한 두 개의 예시적 전자장치 구성이 도 5A 및 5B에서 설명된다. 두 구성에서, 세트(30)는 ½ 파장의 정렬에서 거리 d만큼 서로 떨어진 다수의 인접한 엘리먼트(32)로 구성된다. 상기 세트의 평면 오리엔테이션과 관련하여 블레이즈 각도, 또는 엘리먼트 페이스 각도는 두 설명된 세트에서 45도이다. 엘리먼트 (32)는 송신기 및/또는 수신기 전자장치(34)와 전기적으로 연결되며, 이들 전자 장치는 상기 세트 엘리먼트와 일체로 형성될 수 있거나 상기 물리적 세트와는 불리하여 제공될 수 있기도 하다.
상기 5A의 실시 예에서, 송신기 및/또는 수신기 전자장치(34)는 송신기/수신기(TR) 스위치(38)와 전기적으로 통하도록 되고, 상기 스위치는 송신기 시스템(40) 그리고 수신기 시스템(50)과 연결된다. 상기 송신기 시스템(40)은 광대역 음향 펄스를 발생시키기 위한 한 펄스 발생기 그리고 파워 증폭기(42)로 구성된다. 수신기 시스템(50)은 디지털 신호 처리 시스템(54) 그리고 영상 디스플레이 시스템(56)과 동작할 수 있도록 연결되는 프리-증폭기, 아날로그 필터 그리고 A/D변환기를 포함할 수 있다. 이는 세트 엘리먼트 위상 이동을 제공하지 않으나, 한 단일 비임 오리엔테이션으로 주파수-조정 비임을 발생시키고 수신할 수 있는 간단한 시스템이다.
도 5B의 실시 예에서, 송신기 및/또는 수신기 전자 장치(34)는 두 개의 TR 스위치(36, 38)에 전기적으로 연결되며, 이들 각각은 송신기 시스템(40) 그리고 수신기 시스템(50)에 전기적으로 연결된다. 상기 송신기 시스템(40)은 광대역 음향 펄스를 발생시키기 위한 펄스 발생기 그리고 파워 증폭기(42) 그리고 송신 신호를 위상 이동시키기위한 180도 위상 이동기를 포함한다. 디지털 신호 처리 시스템(54) 그리고 영상 디스플레이 시스템(56)과 협력하는, 가령 프리-증폭기, 아날로그 필터 그리고 A/D 변환기로 구성되는 수신기 전자 장치 컴포넌트(52)에 추가하여, 수신 시스템(50)은 수신된 신호를 위한 위상 이동기 그리고 차동 합산기로서 동작하는 180도 가산기(58)를 포함하기도 한다. 이 같은 시스템은 송신 및 수신 모드 모두에서 상기 세트 엘리먼트의 위상 이동을 제공하며 모드 간섭 신호들을 공통이 되도록 실시 될 수 있다.
주파수-조정 세트는 많은 정렬 m=1/n로 확장될 수 있으며, 이때 n는 양 또는 음의 수이다. 정렬 m=¼을 갖는 한가지 특히 유용한 세트 디자인이 상기에서 설명되었다. 이 같은 디자인은 극성 대칭(네가티브 각 면과 같은 수의 포지티브 각 면)을 가지며, 상기 제로 정렬 로브를 억압하기 때문에 바람직하다. m=¼ 세트에서 엘리먼트 회전은 상기 90도 위상 이동이 불명료한 대칭 로브를 억압하기 때문에 불필요하다. 또한, 상기 90도 위상 이동이 상기 불명료한 대칭 로브의 억압을 조정하기 때문에 상기 90도 위상의 극성은 직각의 어는 한 면에서 대칭 로브를 억압하는 것들 사이에서 스위치하도록 변경될 수 있다. 상기 대향하는 대칭 로브가 억압되는 때, 다른 한 사이드는 메인 비임이 되며 상기 필드 뷰는 한 사이드에서 다른 한 사이드로 대칭적으로 스위치된다. 따라서 m=¼ 세트는 90 도 위사이 이동의 극성이 스위치되는 때 두 필드 뷰를 발생시키도록 할 수 있다. 상기 180도 위상은 차동 증폭기 밸런스 변압기와 같은 간단한 장치를 사용하는 전자 장치로 만들어 질 수 있으며, 4 개의 구동 및 수신 라인, 또는 몇 개의 디지털 및 아날로그 위상 이동 컴비네이션으로 디지털식으로 만들어질 수 있다.
m=¼ 주파수-조정 음향 세트에 대한 두 개의 예시적 전자장치 구성이 도 6A 및 6B에서 설명된다. 상기 두 구성에서 세트(60)가 ¼ 파장의 거리 d만큼 서로 떨어져 있는 다수의 인접한 엘리먼트(62)로 구성된다. 세트 엘리먼트(62)는 송신기 및/또는 수신기 전자장치 구조(64)에 전기적으로 연결되며, 이는 송신기 및/또는 수신기 조정 시스템과 연결된다. 상기 세트는 블레이즈되지 않으며, 주파수-조정은 인접한 변환기 엘리먼트로 90도 위상차를 적용함으로써 달성된다. 도 6A 및 6B에서 설명된 전자 장치 구성 모두에서, 설명의 목적은 먼저 적절히 위상-이동된 신호를 발생시키고 송신하는 것이며, 그리고 위상이 벗어난 리턴 신호를 수신하고 결합하는 것이다. 두 경우 모두에서, TR 스위치는 고-전압 송신 신호를 동일한 세트를 사용하여 송신하고 수신하면서 저-전압 수신 전자 장치로부터 분리시키도록 하는 것이다.
도 6A의 음향 세트 시스템에서, 상기 송신 시스템(70)은 0도, 90도, 180도, 그리고 270도 위상-이동 신호를 발생시킨다. 이들 위상이동-신호를 발생시키기 위한 한 가지 방법은 네 개의 채널 임의 펄스 발생기/파워 amp 서브시스템을 사용하는 것이다. 상기 필요한 펄스 이동 신호를 발생시키기 위한 또 다른 방법은 두 채널 임의 펄스 발생기/파워 amp 서브시스템(72)를 사용하여 0도 및 90도 신호를 발생시키도록 하는 것이며, 다음에 적절한 변압기를 사용하여 이들 본래의 두 신호를 사용하여 180도 및 270도 위상 이동 신호를 발생시키는 것이다. 가령, 도 6A의 실시 예에서, 90도 위상 이동기(74) 그리고 두 개의 180도 위상 이동기(76, 78)가 사용되어, 컴비네이션으로 0도, 90도, 180도, 그리고 270도 위상-이동 신호를 발생시키도록 하고, 이와 같이 위상 이동된 신호들이 TR 스위치(66)를 통하여 이웃하는 변환기 엘리먼트(62)로 조정할 수 있도록 제공된다.
수신 시스템(80)은 0도, 90도, 180도, 그리고 270도 위상-이동 리턴 신호를 받아들이며, 이들을 결합하여 단일 수신 신호를 형성시키도록 한다. TR 스위치(66)를 통하여 이들 신호들을 결합시키는 한 방법은 모든 네 개의 채널을 증폭하고 디지털화한 다음, 이들을 디지털식으로 결합하는 것이다. 이들 신호들을 결합시키는 또 다른 방법은 변압기를 사용하여 180도 위상-이동 신호들을 결합하는 것이며, 다 음에 한 아날로그 회로를 사용하여 상기 결과의 90도 위상 이동 신호들을 결합하는 것이다. 상기 도 6A에서 도신된 실시 예에서, 수신된 신호는 가령 프리-증폭기, 아날로그 필터 그리고 A/D 변환기로 구성된 수신 전자장치 컴포넌트(82), 디지털 신호 처리 시스템(84) 그리고 영상 디스플레이 시스템(86)에서 처리하기 전에 180도 가산기(88) 그리고 90도 가산기(90)를 통하여 처리된다.
도 6B의 음향 세트 시스템에서, 상기 180도 위상-이동이 상기 송신 및 수신 전자장치 서브시스템으로부터 택해지며, 상기 TR 스위치 세트 사이드에 제공된다. 이 같은 시스템에서, 상기 세트 엘리먼트(62) 각각이 180도 가산기(68)를 통하여 TR 스위치(66)와 연결된다. 송신 시스템(70)은 TR 스위치(66) 그리고 180도 가산기(68)와 컴비네이션으로 펄스 발생기/파워 증폭기 서브 시스템(72) 그리고 90도 위상 이동기(74)를 사용하여 0도, 90도, 180도, 그리고 270도 위상-이동 신호를 발생시킨다. 수신 시스템(80)은 180도 가산기(68) 그리고 TR 스위치(66)를 통하여 음향 신호를 수신하며 그리고 이들을 수신 전자장치 컴포넌트(82), 디지털 신호 처리 시스템(84) 그리고 영상 디스플레이 시스템(86)에서 처리하기 전에 90도 가산기(90)에서 처리한다.
도 6B에서 설명되는 전자 장치 구성은 송신 및 수신 180 도 위상-이동 동작을 컴바인함으로써, 상기 시스템내에서 필요한 전체 전자 장치를 줄인다. 이 같은 시스템은 도 6A에서 도시된 시스템과 비교하여 신호대 잡음 비 감소를 제공한다. 상기 세트에서 180도 위상이동을 수행하는 한 가지 방법은 상기 180도 및 0도 엘리먼트들 그리고 상기 90도 및 270도 엘리먼트들을 연결시키는 것이며, 이때의 연결 이 맞은 편 극성 전극에 이루어 져서 엘리먼트 쌍들 사이의 극성을 반대로 하도록 하는 것이다. 상기 180도 위상 이동을 달성하기 위한 또 다른 방법은 변압기를 사용하는 것이다.
특별히 설명되지는 않았으나, 각기 다른 정렬 음향 세트 디자인(가령 m = 1/8, m = 1/16, m = 1/n)에 대한 전자장치 구성이 본 원 명세서에서 제공된 설명 그리고 공지의 전자 장치 디자인 원리를 바탕으로 당업자에게 명백한 것이다.
상기 설명된 세트는 주기적이다-즉, 이들은 이웃하는 엘리먼트들 사이에서 일정한 간격 및/또는 위상 이동을 갖는다. 그러나 주기적 엘리먼트 간격(또는 샘플된 공간 사인 곡선)은 주파수-조정 세트의 기능에 필수적인 것은 아니다. 이는 비 주기적 스케일 구경 기능 그리고 정합된 필터 뱅크가 신호 처리중에 사용되어 적절한 공간 필터링을 제공하도록 하기 때문이다.
비주기적 주파수-조정 세트가 실시되는 방법을 이해하기 위해, 각도 및 레인지 정보를 추출하기위해 사용된 처리를 먼저 관찰하여야 한다. 수신된 음향 펄스는 시간 그리고 주파수 도메인으로 분석되어, 각도 그리고 다운-범위 방향으로 정보를 추출하며 유용한 영상을 발생시킨다. 한 펄스가 송신되고, 상기 표적으로부터 반사되며, 그리고 수신된 뒤에, 상기 비임 신호가 상기 광 대역 신호로부터 분석된다. 상기 수신된 신호의 시간 그리고 주파수 도메인을 분석하는 처리는 “시간-주파수(TF) 비임 형성기”라 한다. TF 비임 형성기를 실시하는 가장 간단한 방법은 하기에서 설명하는 바와 같이, STFT 분석을 사용하여 협 대역 디지털 시간 신호를 분석하는 것이다.
종래 푸리에 분석에서, 신호들이 복소수, 연속 사인파 기본 기능과 비교된다. 이들 연속 기본 기능들은 시간으로 로컬화되지 않으므로, 신호에 대한 상기 종래 푸리에 변환은 상기 전체 신호에 대한 스펙트럼 내용에 대한 정보만을 제공할 수 있다. 가령, 시작 시에 고-주파수 에너지를 갖는 그리고 종료시에 저-에너지를 갖는 한 신호에 대한 푸리에 변환은 상기 신호가 고 및 저 주파수를 포함하는 것만을 보여준다. 즉 신호 내 어디에서 이들 주파수 컴포넌트가 발생되는 가를 보여주지 못한다. 그러나 상기 신호에 대한 짧은 윈도우 부분에 대한 푸리에 변환의 순차적인 응용이 사용되어 상기 신호의 시간에 대한 스펙트럼 내용을 로컬화할 수 있다. 이 같은 신호 분석 기술은 짧은-시간 푸리에 변환(STFT)라 하며 다음 식에서와 같이 신호 s(t)에 대하여 수학적으로 설명된다.
Figure 112006002077141-PCT00009
여기서 함수 r(t)는 윈도우 기능이라 하며, 짧은 시간 주기를 갖는 것으로 선택되어 양호한 일시적 해상도(분석)를 제공하도록 한다. 상기 윈도우 기능의 선택은 또한 상기 STFT의 스펙트럼 해상도(분석)에 상당한 영향을 갖는다. 사실, 시간과 주파수 모두의 해상도(분석)는 결합되며 상기 시간-주파수 불확실 원리에 의해 좌우된다. 상기 시간-주파수 불확실 원리는 상기 신호 에너지가 상기 시간 그리고 주파수 도메인 모두에서 동시에 분석될 수 있는 정밀도에 기본적인 제한이 있음을 나타낸다.
상기 신호 에너지가 한 펄스 에너지 영상에 대한 시간과 주파수 영역 모두에 서 분석될 수 있는 고유한 한계가 다음 식으로 표시된다.
Figure 112006002077141-PCT00010
여기서 T 와 B는 상기 송신된 펄스의 펄스 주기 그리고 대역 폭 각각이다. 따라서 일정한 주기-대역 폭 곱에 대하여, 시간 과 주파수 해상도(분석)는 모두 임의적으로 작게 만들어 질 수 없다. 일반적으로 일시적 해상도(분석)이 개선되면, 상기 스펙트럼 해상도(분석)는 줄어들며, 그 반대도 마찬가지 이다. 상기 주파수-조정 세트의 물리적 회절 그리고 레인지 해상도(분석) 한계에 시간-주파수 해상도(분석)를 맞추고자 하는 때에 이는 중요한 고려사항이다.
디지털 수신 신호를 처리하기 위해, 다음 특성을 갖는 이산 단-시간 푸리에 변환 DSTFT는 다음과 같다.
Figure 112006002077141-PCT00011
상기 이산 STFT는 다음과 같이 윈도우 함수 .... 그리고 중심 주파수 f에 의해 결정된 대역폭을 갖는 협 대역 디지털 한정 임펄스 응답(FIR) 뱅크를 사용하여 적용 된다.
Figure 112006002077141-PCT00012
여기서
Figure 112006002077141-PCT00013
FIR 필터 뱅크를 주파수-조정 세트 신호에 적용함으로써 한 세트의 시간-도메인 ‘비임’ 신호를 발생기키며, 그 중심 주파수가 식(1)에 의해 정해진 조정 방향 그리고 식(2)(이때 TBf≥1)에 의해 정해진 회절-제한 비임 폭과 상관 관계된다.
비록 FIR 필터 뱅크가 협 대역내로의 상기 신호 에너지를 분리시키도록 하지만, 상기 DSTFT 필터는 정보를 알리는 송신 신호가 사용된때 상기 비임의 서브-펄스에 매치되지 않는다. 정보를 알리는 한 송신 펄스가 사용되는 때, 상기 주파수-조정 세트 서브-펄스는 상기 정보를 알리는 펄스의 협대역 부분(또는 chirplets)이며, STFT의 필터는 사인파로 윈도우된다. 상기 서브-펄스는 상기 송신된 펄스 및/또는 수신 펄스에서의 주파수-조정 세트 공간 필터링 특성 결과이다.
이 같은 포인트를 설명하기 위해, 펄스 속도 co로 이동하는 그리고 입사 각도 θ로 도달하는 신호 s(t)를 갖는 평면 파면을 염두에 둔다. 이 같은 파면은 이동 방향을 따라 공간 s(r-tc0)에서 한 신호를 발생시킨다. 만약 이 같은 파면이 x-축과 정렬된 선형 구명 a(x)와 충돌하면, 상기 파면의 신호는 사인(θ)에 의해 정해지는 유효 구경 기능으로 물리적으로 회선되어 질것이다.
Figure 112006002077141-PCT00014
여기서
Figure 112006002077141-PCT00015
이 같은 회선은 상기 신호에 대한 FIR 필터의 적용과 유사하다. 그러나 각도 각각은 엔드-온(정면을 향하는) 입사시에 관찰되는 오리지날 구경 함수의 스케일 버전에 해당하며, θ=±π/2이다. 상기 주파수-조정 세트는 각기 다른 각도로부터 도달하는 신호에 적용된 각도가 스케일된 웨이브렛 필터 뱅크로서 작용한다. 따라서 상기 최적 비임 형성기는 상기 송신 펄스에 매치된 필터 뱅크이며 상기 주파수-조정 세트 구경 함수이다. 이 같은 최적 비임 형성기는 다음 식에서와 같이 구경 ctr=c0/sin(θ)를 따라 추적 속도에 의해 스케일된 상기 주파수-조정 세트의 구경 함수에 따라 웨이브렛 필터 뱅크를 발생시킴으로써 발생된다.
Figure 112006002077141-PCT00016
상기 구경 필터 뱅크는 길이 T의 송신 펄스 sxmt(t)로 적용되어 다음 식을 사용하여 비임 각각에 대하여 매치된 서브-펄스 필터 뱅크를 발생시키도록 한다.
Figure 112006002077141-PCT00017
상기 구경 필터 뱅크는 상기 주파수-조정 세트가 단 하나의 송신 또는 수신만을 위해 사용된다면 단 한번만 상기 송신 펄스에 적용된다. 만약 상기 주파수-조정 세트가 송신 그리고 수신 모두에서 사용된다면 두 번 적용된다. 상기 식(2) 그리고 식(3)에 의해 각각 정해진 전 고유 회절-제한 그리고 대역폭-제한 해상도(분석)는 이 같은 종류의 비임 형성기를 사용하는 때 달성될 수 있다.
이 같은 분석은 주기적인 간격 (또는 샘플된 간격 사인파)이 주파수-조정 세 트의 기능에 중요하지 않은 중요한 일반화를 가져오도록 한다. 이는 비 주기적인 구경 그리고 매치된 필터 뱅크 hm(τ,θ)가 적절한 공간 필터링을 제공하도록 디자인될 수 있기 때문이다. 따라서 본 발명의 주파수-조정 세트는 이웃하는 세트 엘리먼트사이에서, 또는 세트 엘리먼트의 이웃하는 세트사이에서의 비주기적인 간격을 갖는다. 상기 세트는 가령 공간적 ‘주파수 변조’패턴(가령 상기 세트를 따라 연속 감소하는 간격), 또는 공간적 ‘주파수 도약’ 패턴(가령 상기 세트의 각기 다른 섹션을 따라 각기 다른 간격), 또는 임의의 또는 의사-무작위의 간격 뱅치로 비주기적으로 간격을 두고 떨어져 있을 수 있다.
예시적 주파수-도약 세트 디자인이 도 7에서 개략적으로 도시된다. 이 같은 세트 구성에서, 제 1 세트의 n 개 엘리먼트(92)가 상기 엘리먼트들사이에서 일정한 간격 d1으로 배열되며, 제 2 세트의 n 개 엘리먼트(94)가 상기 엘리먼트들사이에서 일정한 간격 d2로 배열되고, 제 3 세트의 n 개 엘리먼트(96)가 상기 엘리먼트들사이에서 일정한 간격 d3으로 배열된다. 이 같은 배열이 계속되어 진다. 이 같은 주파수-도약 세트 구성은 상기 세트의 구경 기능의 스케일 버젼이 상기 송신된 또는 수신된 신호로 효과적으로 회선되기 때문에 상기 세트의 브로드 사이드 축둘레에서 대칭인 각기 다른 각도들로부터 도달하는 신호들 사이 불명료함을 분석하는 장점을 제공한다.
상기 비 대칭 세트의 구경 기능은 입사 펄스에서 상기 브로드 사이드 축둘레에서 대칭인 두 각도 사이에서 시간-리버스(시간에 반비례)인 것으로 나타난다. 이 같은 스케일 구경 기능이 균등하게 스케일된 그리고 시간-리버스인 구경 기능과 상관관계를 갖지 않는 한도에서, 세트의 상기 대칭, 미러 영상 ‘로브’는 억압될 수 있다. 공간 주파수 사이드 로브의 감소를 제공하는 한 실시 예는 송신 펄스 디자인에서 사용된 ‘Barker coding(베이커 코딩)'과 유사한 것이다.
본 발명의 또 다른 비주기적 공간 주파수-조정 세트 디자인은 두 세트의 엘리먼트 사이 임의의 위상 이동 θ를 사용한다. 이 같은 구성에서, 세트 엘리먼트는 인접한 엘리먼트들의 위상이동이 0°, θ°, 180°, θ+180° 등과 같도록 사이에 끼이도록 된다. 이 같은 세트 디자인은 적절한 위상이동 (0°, θ°, 180°, θ+180°)이 상기 신호들을 일관적으로 추가시키도록 적용된다면, 매치된 필터 펄스 또는 STFT 신호 처리 어느 하나를 사용하여 성공적인 영상 결과를 발생시킨다.
멀티플 정렬 주파수-조정 세트가 또한 본 발명의 시스템 그리고 방법에서 사용될 수 있으며 상기 동일한 주파수-조정 세트에서 결합될 수 있다. 해상도 분석을 개선기키며 단일 세트에 대한 필드 뷰를 증가시키는 한 가지 조합은 m = 1/4 그리고 m = 1/8 정렬 세트 디자인의 조합이다. 한 실시 예에서, 상기 동일한 세트가 사용되어 각기 다른 배선이 각 정렬에 제공되는 두 정렬을 발생시키도록 한다.
이 같은 디자인은 단일 세트 그리고 동일한 대역폭 입력 신호를 사용하는 개선된 필드 뷰를 제공한다. m = 1/8 모드의 메인 비임은 동일한 주파수 대역에 대하여 각기 다른 각도 레인지에 대하여 스위핑함으로써 m = ¼ 모드의 메인 비임을 보상한다. m = 1/8 모드는 m = ¼ 모드의 각도 폭 필드 뷰 절반을 발생시키지만, m = 1/8 부분이 동일한 수의 해상도 분석 셀들이 상기 각도 공간 ½에서 펼쳐져 있도 록 되기 때문에 m = ¼ 모드 분석력의 두배 분석력을 갖는다. 상기 m = ¼ 그리고 m = 1/8 모드는 주파수 각각에서 두 개의 독립한 비임을 발생시킨다. 이들은 한 옥타브 대역에 걸쳐서 결합되어 단일의 더욱 넓은 필드 뷰를 발생시키도록 한다. 추가의 세트 정렬이 컴바인 될 수 있으며, 적절한 배선으로 다수의 세트 정력ㄹ이 단일 주파수-조정 세트로서 실시 될 수 있다.
이 같은 멀티플 정렬 세트는 각기 다른 엘리먼트 배선이 정렬 모드 각각에서 동작할 수 있도록 제공되는 단일 세트의 엘리먼트를 사용한다. 도 8A-8C 는 예시적인 멀티플 정렬 세트 엘리먼트 구성을 설명한다. 도 8A는 개별 세트 엘리먼트 각각에 삽입되는 서브 엘리먼트 사용을 설명한다. 이 실시 예에서, 세트 엘리먼트(100)가 교대로 배선되는 다수의 서브 엘리먼트(101-106)(여섯개가 도시됨)로 나뉘어 지며, 한 세트의 사이에 끼인 서브 엘리먼트(101, 103, 105)가 함께 배선되고 결합되어 상기 정렬 "B"세트의 n 번째 엘리먼트를 제공하도록 하고, 두 번째 세트의 사이에 끼인 엘리먼트(102, 104, 105)가 함께 배선되고 결합되어 상기 정렬"A"세트의 n번째 엘리먼트를 제공하도록 한다.
도 8B는 세트 엘리먼트(100) 각각이 나뉘어지는 한 실시 예를 설명하며, 상기 엘리먼트의 첫 번째 부분(108)이 상기 정렬 “A"세트를 피딩(feeding)하며, 상기 엘리먼트의 두 번째 부분(110)이 상기 정렬 ”B"세트를 피딩한다. 이 같은 실시예에서 스위치(112)가 작동되는 때, 엘리먼트(100)는 한 정렬“A"세트로서 연결되며, 스위치(114)가 작동되는 때, 엘리먼트(100)는 한 정렬“B"세트로서 연결된다. 상기 세트 기능 그리고 세트 정렬 사이의 스위칭은 프로그램될 수 있으며 오퍼레이 터에 의해 선택될 수 있다.
주파수-조정 세트 디자인이 2D 및 3D 영상 시스템으로 실시 될 수 있는 다양한 방법이 있으며, 단일 또는 멀티플 세트를 사용하는 소나 시스템 및 그 방법이 그 한 예이다. 가장 간단한 디자인은 m=½ 또는 m=¼ 정렬 세트를 사용하여 단일 필드 뷰를 생성하는 것이다. 이 같은 실시는 선박의 정면에서 볼 수 있도록 그리고 동 선박의 정면에서 바닥 그리고 수중 칼럼을 영상으로 하여 항해 위험을 탐지하도록 사용될 수 있다. 이 같은 실시의 다양한 특징을 설명하는 개략적인 도면이 도 9A-9D에서 도시되며, 이는 어떻게 단일 주파수-조정 세트가 주중 장애 탐지 소나(ODS) 시스템으로 사용될 수 있는 가를 설명한다.
수직 방향으로 주파수-조정 세트(120)를 위치시킴으로써, 필드 뷰(122)를 영상기키는 한 세트가 전방을 향하도록 되며, 상기 시스템이 상기 영상 시스템의 바로 정면 영역에 대하여 수직 슬라이스로 된 이차원 영상을 발생시키며 오퍼레이터에게 상기 시스템 정면 장애와 관련된 정보를 제공한다. 이 같은 선박에 장치된 ODS 시스템의 영상 필드 뷰가 도 9A에서 개략적으로 도시된다. 도 9A는 어떻게 소나 필드 뷰(122)가 선박(124)에 장치된 센서 플랫폼과 관련하여 방향이 설정되어 선박(1240의 정면에 있는 장애 그리고 수면에 대한 영상을 제공하도록 한다. 도 9C 그리고 9D는 상기 세트(120) 그리고 그 필드 뷰(122)의 측면 그리고 정면 각각을 도시한다. 이 같은 단일 정렬, 주파수-조정 세트는 25도 필드 뷰를 제공하며, 옅은 수중 환경에서 사용하는 데 적합하다.
도 10은 주파수-조정 세트를 사용하는 소나 영상 시스템에 대한 한 실시 예 를 간단하고 개략적으로 도시한 도면이다. 이 같은 시스템에 대한 처리 단계는 컴퓨터 또는 디스플레이 장치와 같은 처리기 또는 디스플레이 시스템(130)이 디지털 통신 라인을 통하여 소나 조정기(132)로 요청 신호를 보내는 때 시작된다. 상기 요청을 수신한 뒤, 소나 조정기(132)가 저 전압 펄스를 파워 증폭기(1340로 보내며, 여기서 이들이 고 전압 아날로그 펄스로 변환된다. 상기 고 전압 펄스는 상기 저 전압 수신 전자 장치를 상기 고 전압 신호로부터 분리시키는 TR 스위치(136)를 통하여 주파수-조정 음향 세트(138)로 이동한다.
주파수-조정 음향 세트(138)는 다음에 상기 고 전압 전기 신호를 음향 신호로 변환시키는 데, 이 음향신호가 수중으로 보내진다. 이 때, 상기 시스템의 수신 측이 작동된다. 주파수-조정 음향 세트(138)는 먼저 리턴된 음향 신호를 저 전압 전기 신호로 변환시킨다. 이들 저 전압 전기 신호들은 TR 스위치(136)를 통과하여 상기 수신 전자장치(140)로 보내지며, 여기서 상기 신호들이 증폭되고, 필터되며 그리고 디지털화된다. 일단 디지털화되면, 상기 리턴 신호들이 소나 조정기(132)내로 판독되며, 여기서 이들은 소나 영상 내로 비임-형성된다. 상기 소나 조정기(132)는 다음 이들 영상을 디지털 통신 라인을 통하여 처리기 또는 지정 디스플레이(130)로 보내며, 여기서 이들은 디스플레이되거나 나중의 시험을 위해 저장된다. 다양한 종류의 주파수-조정 음향 세트 그리고 세트 조합을 사용하는 본 발명의 영상 시스템은 유사한 시스템 구성을 사용하여 실시 될 수 있다.
도 11A-D에서 도시된 또 다른 소나 시스템 실시 예에서, 주파수-조정 음향 세트(142)가 구성되어 둘 또는 그 이상의 선 대칭 필드 뷰를 발생시키도록 한다. 도 11A-D에서 도시된 실시 예에서, 두 개의 필드 뷰(144, 146)는 전방을 향해 보는 그리고 아래를 향해 보는 영상을 각각 제공하는 데, 이들 각각은 수중 항해 그리고 충돌 방지 응용에 유리한 것이다. 이 같은 시스템은 도 9A의 ODS 영상을 그리고 다운 룩킹 센서(DLS) 영상을 모두 제공하며, 상기 세트 아래 저부에 대한 즉각적인 슬라이스 영상을 보여준다. 도 11A에서 3D 영상 제공은 소나 필드 뷰(144, 146)가 어떻게 선박(148)에 장치된 센서 플랫폼과 관련하여 오리엔트되는 가를 보여준다. 도 11C 그리고 11D는 상기 세트 그리고 그 필드 뷰에 대한 측면 그리고 정면 뷰를 각각 도시한다. 이 같은 실시예에서, 두 개의 25도 필드 뷰가 단일 주파수-조정 음향 세트를 사용하여 각기 다른 오리엔테이션으로 제공된다.
멀티플 주파수-조정 세트가 또한 본 발명의 방법 및 시스템에서 사용될 수있다. 한 실시 예에서, 두 개 또는 그 이상의 주파수-조정 세트가 'X-구성‘으로 오리엔트되어 와이드 필드 뷰를 제공하도록 할 수 있으며, 상기 세트 각각의 출력이 결합된 필드 뷰에 기여하게된다. X-구성에서, 멀티플 세트는 상기 주파수-조정 평면에서의 구성 세트 페이스 고정 각도 회전과 같은 조정 평면으로 오리엔트된다. 상기 각각의 세트 페이스들 사이 상기 고정 오리엔테이션 회전각도는 10도와 60도 사이, 바람직하게는 15도와 45도 사이인 것이 바람직하며, 상ㄱ 세트 정렬 또는 정렬들의 조합 그리고 사용된 대역폭에 따라 결정된다. 가령 두 개의, 단일 정렬 m = 1/4인 주기적 세트가 사용되는 때, 단일 와이드 연속 필드 뷰가 큰 대역 폭(한 옥타브보다 큰) 신호를 사용하고 그리고 두 세트 모두에 대한 필드 뷰 모두를 사용하여 발생될 수 있다. 선택적으로, 세 개의 세트가 사용되어 유사한 대역 폭이 와 이드, 연속 필드 뷰를 생성하도록 할 수 있다.
도 12A-12D는 X-구성으로 제공된 멀티플 주파수-조정 세트의 능력 및 배열을 개략적으로 설명한다. 상기 장치, 오리엔테이션, 그리고 필드 뷰는 두 개의 m = 1/2 또는 m = 1/4 세트에 대하여 설명되나, 다른 세트 정렬 그리고 세트 정렬의 조합이 X-구성으로 실시 되는 멀티플 음향 세트 조합으로 사용될 수 있기도 하다. 도 12B는 수평 X-구성으로 배열되며 서로에 대하여 40도 각도에서 상기 세트 페이스를 갖는 두 개의 주파수-조정 음향 세트(150, 152)가 어떻게 포워드 룩킹 소나(FLS)시스템에서 사용되어 두 연속 필드의 뷰(154, 156)를 발생시키어 상기 센서 플랫폼 정면에서 물체 그리고 바닥 특징에 대하여 높은 분석의 영상을 제공하게 되는가를 도시한다. 도 12A에서의 3D 영상 형성은 상기 소나(sonar)의 결합된 필드 뷰가 상기 세트가 위치하는 선박 그리고 바닥 표면에 대하여 어떻게 오리엔트되는 가를 도시한다. 도 12C 그리고 도 12D는 상기 세츠 그리고 이들의 필드 뷰 각각에 대한 평면도 그리고 측면도를 도시한다. 상기 세트의 적절한 각도 조정으로 상기 개별 필드 뷰가 도시된 바와 같이 조정되어 연속, 와이드 필드 뷰를 제공하도록 한다. 이 같은 실시 예에서, 두 개의 개별적인 25도 필드 뷰가 연속의 50도 필드 뷰를 발생시키도록 결합된다.
비록 상기 X-구성 세트가 이들의 중간점 가까이에서 크로스하는 것으로 도시되나, 이 것이 필요적인 것은 아니며, 상기 세트는 이들의 길이를 따라 어는 지점에서든 서로 크로스하도록 구성될 수 있기도 하다. 다시 말해서, 상기 세트들의 크로싱 포인트는 상기 중간 점으로부터 일정한 선형 길이만큼 줄어들 수 있으며 이때 에도 상기에서와 같은 같은 효과를 발생시킨다. 상기 X-구성은 고 주파수 비임이 상기 전 필드 뷰의 중신에서 연속하여 놓이는 때 두 세트 시스템내에서 특히 효과적이다.
한 X-구성으로 멀티플, 단일 정렬 세트를 결합시킴에 추가하여, 두개 또는 그 이상의 멀티플-정렬 세트가 실시되어 X-구성 이중 세트 컴비네이션에서 한 단일 옥타브 대역폭과 연속하는 또는 중첩하는 필드 뷰를 제공하도록 조정될 수 있는 더욱 큰 필드 뷰를 생성할 수 있다. 도 13A는 단일, 멀티-정렬 세트(162)를 사용하여 발생된 필드 뷰를 도시한다. 중심선의 양측에서 m = 1/8 그리고 m = 1/4인 필드 뷰는 이 같은 디자인에서 연속적인 것을 알 수 있다. 도 13B는 이들 멀티플 정렬 세트(164, 166)가 크고, 연속적이거나 조금씩 중첩되는 필드 뷰를 제공하는 상기 세트들사이에서 한 고정 각도 회전을 갖는 X-구성에서 어떻게 배열되는 가를 설명한다.
또 다른 유용한 멀티플 세트 구성은 상기 개별 세트 그리고 필드 뷰가 서로 직각으로 오리엔트되는 그리고 이차원의 영상 데이터를 요구하는 ‘T-구성’으로 멀티플 주파수-조정 세트를 사용한다. 이 같은 구성에서, 두 개 또는 그 이상의 팬-형상의 필드 뷰는 교차하도록 오리엔트되어 상기 주파수-조정 축들이 서로 직교하도록된다. 상기 T-구성으로 배열된 멀티플-조정 세트의 세트 페이스들은 서로 일정한 각도, 바람직한 실시 예에서 90도 이하인 각도로 로 배열된다.
도 14A-D는 두 개의 세트가 T-구성으로 오리엔트되어 이들의 필드 뷰(174, 176)각각이 서로 직교하도록 되는 한 배열에 대한 여러 뷰를 개략적으로 설명한다. 도 14A는 두 개의 T-구성 세트에서의 평면도를 도시한다. 도 14B는 필드 뷰(174, 176)를 발생시키는 T-구성에서 서로 예각으로 배열되는 페이스를 갖는 두 개의 주파수-조정 세트(170, 172)에 대한 3D 영상 형성을 도시한다. 도 14C 및 14 D는 상기 T-구성 컴비네이션에 대한 두 측면도를 도시한다.
멀티플 세트 T-구성 컴비네이션은 도 15A-15D에서 도시된 바와 같이 직교 평면에서 X-구성에 의해 발생된 와이드 필드 뷰를 오리엔트함으로써 상기 X-구성과 협력하여 사용될 수 있다. 이 들 특징들은 도 11 및 12의 구성이 한 사용자에 이제까지 설명된 세 개의 모든 소나 영상 타입, 즉 장애 탐지, 다운 룩킹, 그리고 포워드 룩킹을 제공하는 단일 영상 시스템을 형성하도록 결합될 수 있다.
도 15B에서 도시된 바와 같이, 주파수-조정 세트(180, 182)는 필드 뷰( 184,186, 188 그리고 190)를 생성하도록 동작될 수 있다. 도 15A에서의 상기 3D 영상 형성은 상기 멀티플 세트 구성의 필드 뷰가 선박(192)과 관련하여 어떻게 오리엔트되지는 가를 설명한다. 도 15C, 그리고 도 15D는 상기 세트들 그리고 이들 필드 뷰 각각에 대한 측면도 그리고 평면도를 도시한다.
상기 본 발명의 주파수-조정 기술 그리고 주파수-조정 세트는 기계적 조정, 종래의 전자 시간-지연 및 위상 이동 비임 형성 그리고 위상 비교 각도 평가 기술과 같은 다른 비임-조정 그리고 비임 형성 기술과 협력하여 사용될 수 있기도 하다. 하기의 테이블 1은 주파수 조정을 다른 비임 조정 방법과 결합하는 때 실시 될 수 있는 2D 및 3D 음향 영상 시스템 실시 예를 요약한다.
Figure 112006002077141-PCT00018
도 16A-F는 기계적 조정 기술로 예시적인 컴비네이션에서 사용된 본 발명의 주파수-조정 음향 세트를 개략적으로 도시하는 도면이다. 상기 기계적 스캔닝의 오리엔테이션은 선형이거나 상기 주파수 스캔닝 평명에 직교하는 회전 방향으로 정해질 수 있으며, 또는 상기 주파수-조정 세트의 평면내에 있도록 정해질 수 있다. 상기 주파수-조정 세트는 주기적 또는 비 주기적 엘리먼트 간격 및/또는 위상 이동을 갖는 단일-정렬 세트 또는 멀티-정렬 세트로 실시 될 수 있다.
도 16A 및 도 16B는 상기 주파수-조정 비임 방향에 직교하는 방향으로 기계적 스캔닝이 실시 되는 주파수-조정 세트 실시 예를 설명한다. 도 16A는 한 스캔닝 이동(206)에서 회전 축 둘레에서 기계적으로 수직 주파수-조정 비임(204)를 스캔닝함으로써 3D 데이터 세트를 수집하도록 사용될 수 있는 회전 기계식 비임 조정 메카니즘(202)과 결합된 단일 주파수-조정 평면 세트(200)를 설명한다.
도 16B는 한 스캔닝 이동(208)을 제공하는 그래서 수직 주파수-조정 비임(208)을 사용하여 3D 데이터 세트를 발생시키도록 하는 평행 이동의 기계적 비임 조정 메카니즘과 결합된 단일 주파수-조정 평면 세트(200)를 설명한다. 도 16A 및 16B에서 예시된 실시 예에서처럼 기계적 스캔닝이 상기 주파수-조정 비임 방향과 직교하여 실시 되는 때, 분리된 전달로부터의 멀티플 영상들이 회전식 또는 나란하게(만약 선형 평행 이동된다면) 스택으로 쌓음으로써 일관성없게 컴바인되어 3D 부피 측정의 데이터 세트를 발생시키도록 한다. 이 같은 데이터 세트는 상기 표적 장면에 대한 3D 영상을 만들도록 처리될 수 있다.
만약 상기 주파수-조정 평면에 직교하여 스캔된 주파수-조정 세트의 재-등록이 파장의 20%범위내 정확도록 달성된다면, 그리고 상기 세트 배열이 Drot/2의 거리만큼 회전 중심으로부터 오프셋된다면, 상기 세트 배열은 직경 Drot의 원형 합성 구경을 스위프한다. 적절한 수의 핑(ping)이 수집되어 상기 합성 구경의 ‘합성 엘리먼트’ 의 충분히 작은 간격(가령 <λ/2 최고 주파수 )을 제공하도록 한다면, 그리고 상기 재-등록이 충분히 정확하다면, 상기 데이터는 일관성있게 처리되어 상기 세트 배열에 의해 스위프된 원형 합성 구경에 의해 제공된 전 방위가 해상도(분석)를 회복하도록 한다. 이같은 일관된 처리에 대한 적절한 재-등록은 상기 영상 장면(바닥에 장치된 소나와 같은)에 대하여 고정된 플랫폼에서 달성하는 데 상대적으로 심플하다. 여기서 직선 (또는 공지의 또는 측정된 임의 경로)로 유사한 상황이 달성될 수 있음을 주목하여야 한다.
도 16C 및 16D는 주파수-조정 세트 실시 예를 설명하며, 기계적 스캔닝이 상기 세트 배열의 주파수 조정 평면에서 실시 될 수 있음을 설명한다. 도 15C는 한 X-구성으로 오리엔트된 두 개의 주파수-조정 음향 세트 배열을 설명하는 것이며, 와이드 필드 뷰 수평 비임(212)을 발생시키는 이중 세트 컴비네이션(210)을 제공한다. 이중 세트 컴비네이션(210)은 2D 데이터 세트를 발생시키기 위해 회전 스캔닝 경로(216)에서 상기 이중 세트 컴비네이션을 회전시키는 회전하는 기계적 비임 조정 메카니즘(2140과 결합될 수 있다. 도 16D는 이중 세트 컴비네이션(210)을 제공하는 X-구성으로 오리엔트된 두 개의 주파수-조정 음향 세트 배열을 설명하며, 상기 컴비네이션은 평행 이동 기계적 비임 조정 메카니즘과 결합될 수 있는 와이드 필드 뷰 수평 비임(212)을 발생시키도록 하며 상기 이중 세트 배열 컴비네이션을 한 선형 스캔닝 경로(218)를 따라 이동시키어 2D 데이터 세트를 발생시키도록 한다.
이와 같이 실시 되는 때, 상기 영상들은 한 해상도(분석) 셀이상의 정확도 재-등록되는 멀티플 오버레이 픽셀(가령, 평균 레벨을 사용하여)을 처리하여 일관성 없이 결합될 수 있다. 이와 같이 함으로써, 상기 해상도(분석)을 개선할 수 있으며 상기 픽셀들(일관성 없는) 대역폭을 효과적으로 증가시키어 스페클(얼룩)을 줄이게 되는 데, 이는 이들이 상기 오버레이 처리가 완성되는 때 멀티플 주파수 분산 비임의 대역폭에 의해 발생된 픽셀들의 컴비네이션이기 때문이다. 이 같은 기술은 단일 전달 영상 시스템에 의해 발생된 영상과 비교하여 월등한 해상도(분석) 그리고 품질을 갖는 2D 모자익 영상을 발생시킨다.
만약 상기 재-등록이 파장의 20%이하의 정확도로 달성될 수 있다면, 그러면 상기 픽셀들은 일관성있게 결합될 수 있으며 멀티플 주파수-조정 비임(그리고 따라서 전 레인지 해상도(분석))에서 분산된 시스템 전 대역폭이 회복될 수 있다. 따라서 대략 20개 비임에 걸쳐 분산된 한 옥타브의 대역폭을 사용하는 m = 1/4인 주파수-조정 영상 시스템은 20 개의 독립된 회전 핑을 갖는 픽셀 각각에서 전 옥타브 대역 폭을 회복 시키며, 이때 모든 20개의 독립된 주파수 비임은 해당 픽셀로 회전되었다. 또한, 만약 상기 세트 배열이 Dort인 거리만큼 회전 중심으로부터 오프셋되었다면, 혹은 상기 세트 배열이 반경이 Drot인 원형 합성 구경을 스위프할 것이다. 만약 적절한 수의 핑들이 수집되어 상기 합성 구경 ‘합성 엘리먼트’의 충분히 작은 간격(가령, <λ/2 최고 주파수)을 제공하도록 한다면, 그리고 상기 재-등록이 충분히 정확하다면, 상기 데이터는 일관되게 처리되어 전 시스템 대역폭, 따라서 전 레인지 해상도(분석), 그리고 상기 세트 배열에 의해 스위프된 원형 합성 구경에 의해 제공된 전 방위각 해상도(분석)을 회복하도록 한다.
이 같은 일관된 처리에 대한 적절한 재-등록은 상기 영상 장면(바닥-장치 소나와 같은)과 관련하여 고정된 플랫폼에서 달성하기에 상대적으로 심플하다. 이 같은 처리는 일관성 없이 처리되며 단일 전달 영상의 해상도(분석) 및 품질과 비교하여 더욱 향상된 해상도 및 품질을 갖는 2D 모자익 영상을 발생시킬 것이다.
기계적 조정 기술은 또한 T-구성 주파수-조정 세트 배열과 함께 사용할 수 있기도 하다. 이는 T-구성으로 멀티플 주파수-조정 세트 배열(단일 정렬 또는 멀티-정렬)을 결합하여 달성되어 3D 스캔닝 구성 그리고 2D 오버레이 스캔닝 구성을 제공하도록 할 수 있다. 이는 상기에서 설명된 2D 및 3D 멀티-핑 처리 방법의 어떠한 컴비네이션도 동시에 실시되는 것을 허용한다. 도 16E는 한 회전의 기계적 비임 조정 시스템(222)에 장치되어 교차 필드 뷰(224)를 발생시키도록 하는 T-구성 컴비네이션(220)에서의 두 주파수-조정 세트 배열을 설명한다. 이 같은 시스템은 2D 데이터 세트를 발생시키도록 사용될 수 있으며, 회전의 스캔닝 경로(2260에서 스캔되는 때, 이 같은 시스템은 3D 데이터 세트를 제공한다. 도 16F는 3D 및 2D데이터 세트를 발생시키기 위해 한 선형 스캔닝 경로(228)를 따라 상기 컴비네이션 세트(220)를 스캔닝할 수 있는 한 선형 기계적 비임 조정 메카니즘과 결합된, T-구성 컴비네이션(220)으로 배열된 두 개의 주파수-조정 세트를 도시한다.
주파수-조정 세트(배열)은 또한 종래의 전자적 비임 형성 기술과 컴비네이션으로 실시 될 수 있기도 하다. 이같은 접근 방법은 이차원의 평면 또는 곡선 세트 디자인을 사용하는 데, 이때 주파수-조정에 직교하는 상기 세트 엘리먼트가 종래의 시간 및 위상 이동 또는 음향 렌즈 비임 형성 기술과 함께 사용되어 3D 부피 측정의 영상 시스템을 발생시키도록 한다. 상기에서 설명된 단일-정렬 및 멀티-정렬 주파수-조정 세트는 상기 두 협 대역 리턴의 위상 이동이 측정되는 때 두 중첩되는 비임 사이 도달 각도의 측정를 허용하는 위상 비교 기술로 실시 될 수 있기도 하다. 이 같은 주파수-조정 및 위상 비교(즉, 위상 모노 펄스)의 컴비네이션은 상기 주파수-조정 평면에 직교하여 또는 주파수-조정과 같은 평면으로 실시 될 수 있다.
도 17A-D는 3D 부피 측정 데이터 세트를 발생시키기 위해 한 스위프 경로(234)를 따라 한 스위프 각도(232)을 통해 기계적으로 회전되며 필드 뷰(236)을 발생시키는 수직선으로부터 캔트(cant)된 평면에 정렬된 2차원 원형 주파수-조정 세트(230)를 사용하는 단일 필드 뷰 디자인을 개략적으로 설명한다. 상기 스위프 각도는 한 장치내로 프로그램될 수 있으며, 혹은 사용자에 의해 프로그램가능하다. 이 같은 특정 시스템에서, 한 주파수-조정 세트가 그 필드 뷰중 하나가 포워드 방향으로 향하도록 하여 수직으로 장치된다. 한 회전 모터가 다음에 사용되어 상기 상기 세트의 수직한 2D 필드 뷰를 정해진 회전 각도록 주사시키도록 한다. 상기 회전내 멀티플 각도에서,2D 영상이 수집된다. 마지막으로, 상기 분리된 2D 영상이 결합되어 주사된 한 영역에 대한 단일의 3D영상을 형성시키도록 한다. 도 16A에서 3D 영상 생성 은 스위프 경로(234)를 통한 상기 주사된 필드 뷰가 어떻게 상기 세트 배열이 놓여지는 차량(238)과 관련하여 오리엔트되는 가를 설명한다. 도 16C 및 16D는 상기 세트 배열 그리고 그 주사된 필드 뷰 각각에 대한 평면도 그리고 측면도를 도시한다.
종래의 그리고 주파수-조정 기술에 대한 가장 바람직한 컴비네이션중 하나는 주파수-조정 그리고 위상 이동 또는 시간 이동(때로는 진정한 시간 지연 비임 형성이라 함) 기술의 컴비네이션이다. 도 18은 본 발명의 컴바인된 주파수-조정 및 시간-지연 비임 형성된 평면 세트(240)의 동작을 설명하는 개략적 도면이다. 상기 설명된 세트(240)는 이차원 세트이며 정사각형, 직각 사각형, 원형, 타원형, 또는 다른 다각형 구성으로 제공될 수 있다. 한 원형 구성이 여러 응용에 바람직한 데, 이는 상기 발생된 비임 패턴이 낮은 측면 로브 레벨을 갖기 때문이다. 이 같은 이차원의 세트는 수직 방향으로 주파수 조정을 제공하고 수평 방향으로 시간-지연 비임 형성을 제공하도록 실시 될 수 있으며, 3D 세트의 원추형 비임(242)으로 구성된 3D 부피 측정 필드 뷰를 발생시키도록 한다.
이 같은 실시예에서, 종래의 비임 형성 기술은 수평으로 비임을 조정하도록 사용되어 한 세트의 주파수-조정 영상 평면 각각에 대한 영상을 발생시키도록 한다. X- 및/또는 T- 구성으로 배열된 멀티블 세트가 또한 두 평면 세트가 각기 다른 방향으로 주파수-조정 및 시간-지연 비임 형성을 모두 제공하도록 동작되어 3D 영상을 발생하도록 처리될 수 있는 3D 부피 측정 데이터 세트를 발생시키도록 실시 될 수 있다. 상기 주파수-조정 및 위상 이동 또는 시간 이동(때로는 진정한 시간 지연 비임 형성이라 함)의 컴비네이션 기술이 단일-정렬 및 멀티-정렬 세트와 함께 실시 될 수 있다.
도 19는 수직으로 주파수 조정 그리고 직교하여(원통형) 종래의 비임형성 (위상 이동 또는 시간 지연) 기술을 컴비네이션하여 실시 된 부분적 원추형 곡선 세트(246)을 도시한다. 이 실시는 3D 영상을 발생시키기 위해 처리된 원추형 비임(248)로 구성된 3D 부피 측정 데이터 세트를 발생시킨다. 도 18에서 도시된 바와 같이, 이 같은 실시는 종래의 비임 형성 기술을 사용하여 비임을 수평으로 조정함으로써 주파수-조정 영상 평면 세트 각각에 대한 영상을 발생기키도록 한다. 그러나 상기 원추형 형상은 상기 수평 방향으로 개선된 균일성을 그리고 개선된 필드 뷰를 제공한다.
도 20A-D는 단일 송신/수신 주기동안 3D 영상을 제공하는 단일 송신/수신 주기동안 3D 부피 측정 필드 뷰(252)를 발생시키기 위해 종래 방법으로 비임 형성된 그리고 주파수-조정된 원뿔 절두형 콘 구성을 갖는 이차원 곡선 세트(250)을 실시하는 예시적 세트 디자인을 설명한다. 수평의 필드 뷰는 장치내로 프로그램될 수 있으며, 혹은 사용자에 의해 선택될 수 있기도 하다. 상기 곡선 원추형 주파수-조정 세트 표면은 3D 필드 뷰를 제공하도록 동작되며, 종래의 주평 비임 형성과 컴비네이션으로 높은 해상도 3D 영상을 제공하는 와이드 필드 뷰 3D 체적 측정 데이터 세트를 제공한다. 도 20A의 3D 영상 생성은 상기 소나의 필드 뷰(252)가 선박(254)에 장치된 센서 플랫폼과 관련하여 어떻게 오리엔트되는 가를 설명한다. 도 20C 및 도 20D는 상기 세트 배열 그리고 그 필드 뷰 각각의 평면도 그리고 측면도를 도시한다.
도 21은 이중 원추형 곡선 세트 실시를 설명한다. 상기 이중 원추형 곡선 세트(260)는 서로 근접한 각 원추형 세츠의 와이더 부분으로 배열되며, X-구성으로 배열된 이중 평면 세트와 유사한 것이다. 이 같은 이중 곡선 세트 구성은 단일 세트(가령 m = 1/4) 또는 멀티-정렬 세트 (가령m = 1/4 & m = 1/8)로 실시 될 수 있다. 2D 영상 세트에서 X-구성의 경우에서와 같이, 상기 멀티-정렬 실시는 하나의 큰 수직 필드를 발생시키기 위해 멀티플 수직 필드 뷰를 결합시킬 수 있다. 이 같은 디자인은 수직 및 수평 크기에 있어서 매우 와이드 필드 뷰를 제공한다. 상기 이중 원추형은 수평 방향 그리고 와이드 수직 필드 뷰에 있어서 개선된 필드 뷰, 그리고 개선된 균일성을 제공한다.
또한 본원 명세서에서 설명된 모든 세트 디자인 그리고 실시는 송신된 및/또는 수신된 비임의 기계적 형상에 의해, 음향 렌즈 또는 전자 위상 이동 또는 시간 이동 기술의 실시에의해, 또는 이들 기술의 컴비네이션에 의해 송신 또는 수신 목적을 위해 음향적으로 초점이 맞추어질 수 있다. 이들 기술들은 주파수-조정 세트의 사용과 결합되어 높은 세기로 초점이 맞추어진 초음파(HIFU)의 조정 응용에 대한 높은 세기 초점 포인트를 발생시키도록 사용될 수 있다.
HIFU는 다양한 의료 및 상업적 응용에 사용될 수 있다. 초점을 맞추는 것은 영상에서 사용되어 근거리 필드에서 주파수-조정 세트의 영상을 개선하도록 할 수 있다. 가령, 고정 기계적 포커스 렌즈가 주파수-조정 세트 정명에 놓여질 수 있으며, 근거리 필드, 주파수-조정 영상을 허용하도록 영상 필드 뷰의 중심에 초점 영역을 위치하도록 오리엔트할 수 있다. 상기 초점 맞추기는 주파수-조정 및 기계적 스캔닝 또는 종래의 비임형성 기술 어느 것과도 함께 사용될 수 있다.

Claims (29)

  1. 입력 음향 신호로부터 주파수에 의해 조정이 가능한, 멀티플, 각도 분산 음향 비임을 발생시킬 수 있는 다수의 음향 변환기 엘리먼트로 구성되며, 상기 주파수-조정 음향 세트배열이 m = ½ ; m = ¼ ; m = 1/8, m = 1/16 and m = l/n로 구성된 그룹으로부터 선택된 한 정렬로 동작됨을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 주파수-조정 음향 세트 배열 장치가 멀티-정렬이고, m = ½ ; m = ¼ ; m = 1/8, m = 1/16 and m = 1/n로 구성된 그룹으로부터 선택된 두 개 이상의 정렬에서의 컴비네이션으로 동작될 수 있음을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  3. 비 주기적 간격 및/또는 위상 이동을 갖는 다수의 음향 변환기 엘리먼트로 구성되며, 필드 뷰를 갖는 주파수-조정 음향 비임을 송신하고 수신할 수 있는 음향 세트 배열이 주파수 대역 선택에 의해 조정가능함을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  4. 제 1항 내지 3항중 어는 한 항에 있어서, 각기 다른 방향으로 오리엔트된 두 개이상의 필드 뷰로 주파수-조정 음향 비임을 송신하고 수신할 수 있으며, 상기 세 트 배열이 다수의 음향 변환기 엘리먼트로 구성되며, 상기 엘리먼트 각각이 이웃하는 엘리먼트와 관련하여 위상 이동되고, 그리고 상기 엘리먼트 각각이 능동의 주파수-조정 필드 뷰를 선택하기 위해 상기 엘리먼트의 적어도 일부분과 상호 연결되거나. 상기 극성 및 위상 이동을 스위칭할 수 있는 조정기와 전기적으로 연결되어 있음을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 세트 배열의 평면에 수직인 평면주위에 대칭인 두 개이상의 필드 뷰로 주파수-조정 음향 비임을 송신하고 수신할 수 있음을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 음향 세트 배열이 m = ¼인 세트 배열 정렬을 가지며, 교대의 세트 배열 엘리먼트가 상기 극성, 위상 이동을 스위칭할 수 있는 조정기와 전기적으로 연결되며 또는 상기 교대의 세트 배열 엘리먼트 와 상호 연결됨을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  7. 제 1-6항중 어느 한 항에 있어서, 한 선형 축을 따라 상기 주파수-조정 음향 세트 배열을 주사시킬 수 있는 기계적 조정 메카니즘을 더욱 포함함을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  8. 제 1-6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 세트 배열이 플랫 또는 곡선 프로파 일을 갖는 일차원 선형 세트 배열; 일반 플랫 프로파일을 갖는 이차원 평면 세트 배열; 그리고 곡선 프로파일을 갖는 이차원 곡선 세트 배열로 구성된 그룹으로부터 선택된 한 구성을 가짐을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  9. 제 1-6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 주파수-조정 세트 배열에 대한 일정 각도로 배열된 제 2음향 세트 배열 그리고 상기 동일 평면과 컴비네이션되며, 이에의해 상기 세트 배열 컴비네이션이 한 단일 평면에서 각기다른 필드 뷰로 음향 펄스를 송신하고 수신 할 수 있음을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 음향 세트 배열이 서로 일정 각도로 배열되고, 이에의해 상기 송신되고 수신된 필드 뷰가 연속되거나 중첩되어 한 연속 필드 뷰를 발생시키도록 함을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  11. 제 9항 또는 10항에 있어서, 상기 제 2 음향 세트 배열이 주파수-정렬 배열임을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  12. 제 1-6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 주파수-조정 세트 배열에 일정 각도로 배열되는 제 2 음향 세트 배열과 컴비네이션으로 그리고 상기 주파수-조정 세트 배열 평면과 직교하는 평면으로 구성되며, 이에의해 상기 세트 배열 컴비네이션이 서로 직교하는 두 개의 평면에서 각기 다른 필드 뷰로 음향 펄스를 송신하고 수신할 수 있음을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 제2 음향 세트 배열이 주파수-조정 세트 배열임을 특징
  14. 제 9-13항중 어느 한 항에 있어서, 상기 주파수-조정 음향 세트 배열이 멀티-정렬이며, m = ½ ; m = ¼ ; m = 1/8, m = 1/16 및 m = 1/n으로 구성된 그룹으로부터 선택된 두 개이상의 정렬로 동작 됨을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  15. 제 9-13항중 어느 한 항에 있어서, 한 선형 축을 따라 상기 세트 배열 컴비네이션을 주사 할 수 있는 기계적 조정 메카니즘을 더욱 포함함을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  16. 제 9-13항중 어느 한 항에 있어서, 상기 주파수-조정 음향 세트 배열이 상기 세트 배열이 플랫 또는 곡선 프로파일을 갖는 일차원 선형 세트 배열; 일반 플랫 프로파일을 갖는 이차원 평면 세트 배열; 그리고 곡선 프로파일을 갖는 이차원 곡선 세트 배열로 구성된 그룹으로부터 선택된 한 구성을 가짐을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  17. 제 1-16항중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신 모드로 상기 세트 배열로 음향 입력을 제공하는 한 음향 펄스 발생기와 전기적으로 연결되어 있으며, 수신 모드로 한 음향 수신기와 전기적으로 연결되어 있고, 시간-주파수 신호 분석을 사용하여 수신된 음향 신호로부터 각도 및 레인지 정보를 발생시키도록 하고 상기 가도 및 레인지 정보를 대표하는 한 영상을 발생시키도록 하는 한 신호 처리기, 그리고 상기 영상을 디스플레이하기 위한 한 영상 디스플레이 장치를 포함함을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 음향 펄스 발생기가 FM 펄스, 스케일-스위프 웨이브렛 펄스 트레인, 멀티-웨이브렛 펄스, 멀티-주파수 펄스, 상기 세트 배열의 스케일 구경 기능에 매치된 의사-무작위, 종속 또는 중첩 시리즈 서브-펄스로 구성된 그룹으로부터 선택된 광 대역 음향 펄스을 발생시킴을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  19. 제 17항에 있어서, 상기 음향 펄스 발생기 가 가변 스위프 속도를 갖는 광대역, 비-선형 주파수-변조 펄스를 발생시킴을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  20. 제 17항에 있어서, 상기 음향 펄스 발생기가 상수 TBf 값을 갖는 각도 각각 에서 서브-펄스를 포함하는 한 출력 펄스를 발생시킴을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  21. 제 17항에 있어서, 상기 신호 처리기가 수신된 음향 신호로부터 각도 및 레인지 정보를 발생시키기 위해 푸리에 변환을 순차적으로 적용함을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  22. 제 17항에 있어서, 상기 신호 처리기에 의해 수신된 음향 신호가 디지털화되고 상기 신호 처리기가 이산 단-시간 푸리에 변환(DSTFT)를 사용하여 수신된 음향 신호로부터 각도 및 레인지 정보를 발생시키도록 함을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  23. 제 17항에 있어서, 상기 신호 처리기에 의해 수신된 음향 신호가 디지털화되고 상기 신호 처리기가 디지털 한정 임펄스 응답(FIR)의 뱅크를 적용하여 수신된 음향 신호로부터 각도 및 레인지 정보를 발생시키도록 함을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  24. 제 17항에 있어서, 상기 음향 펄스 발생기가 한 음향 송신 펄스 그리고 한 주파수-조정 세트 배열 구경 기능에 매치된 필도 뱅크를 사용함을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  25. 제 17항에 있어서, 하나 이상의 음향 세트 배열이 제 1 방향으로 주파수-조정 모드로 동작할 수 있으며, 상기 제 1 방향과는 다른 제 2 방향으로 또다른, 비-주파수-조정 모드로 동작 할 수 있음을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 제 2 방향이 상기 제 1 방향과는 직교함을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  27. 제 25항에 있어서, 상기 비 주파수-조정 모드가 위상-이동 모드, 시간 이동 모드, 음향 렌즈 비임 형성 모드, 그리고 위상 비교 모드로 구성된 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  28. 제 25항에 있어서, 상기 비 주파수 조정 모드가 시간 지연 비임 형성 모드이고 상기 제 2 방향이 상기 제 1 방향과는 직교함을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
  29. 제 25항에 있어서, 하나 이상의 음향 세트 배열이 곡선 세트 배열임을 특징으로 하는 주파수-조정 음향 세트 배열 장치.
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