專利名稱：多頻多波束聲學多普勒系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這里描述的主題的實施方式總體上涉及用于操作各種水傳感器平臺上的多個相同頻率和不同頻率的聲學傳感器裝置的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
海洋學家及其他科學家和技術(shù)人員利用聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)測量湖、河、灣和海洋中的水的速率。ADCP使用聲束測量流速并提供針對一系列深度信元(depthcell)的速率測量的輪廓。ADCP通過由聲換能器發(fā)射聲波信號并接收由水中的顆粒返回的回波(echo)來工作。分析所發(fā)送的聲波相較于接收到的聲波的頻率變化(被稱為多普勒頻移)以確定水的速率。常用頻率在IOOkHz到大約5，OOOkHz的范圍內(nèi)。ADCP的聲頻(acoustic frequency)對系統(tǒng)的性能有重大影響。更具體而言,通過各種測量選項以及將操作調(diào)協(xié)到不同條件的能力，能夠擁有具備在不同頻率上工作的多個波束組的ADCP的能力會提供更好的操作彈性并取得更好的效果。然而，ADCP通常被設(shè)計為在單一頻率上工作。雖然新近有一些ADCP已被設(shè)計為在多個頻率上工作，但需要在設(shè)備不工作時手動地改變頻率。因此，對ADCP而言，需要自動調(diào)整在工作過程中發(fā)射的聲波信號的操作頻率并能同時工作在多于一個的頻率上。被ADCP用來測量多普勒頻移的處理方法也是重要的，有三種常用的處理方法，每一種具有不同的性能特點、優(yōu)點和缺點。不相干處理或窄帶處理可在大范圍的條件下被用來測量大范圍的速率值。但是，由不相干處理收集的速率數(shù)據(jù)具有相對較高的噪聲級，需要系統(tǒng)進行大量的求平均數(shù)操作以去除噪聲。相干脈沖處理具有比不相干處理低得多的噪聲級，但具有其它限制，比如較低的可測量最大速率。第三種處理被稱為寬帶處理，其本質(zhì)上是不相干和相干脈沖處理之間的混合。寬帶處理提供了高于相干脈沖處理但低于不相干處理的最大速率以及低于不相干處理但高于相干脈沖處理的噪聲級。這三種處理方法在結(jié)合使用時可獲得比只使用一種方法可能獲得的性能更高的性能。但是，大多數(shù)現(xiàn)有的ADCP每次只能運行這些處理方法中的一種。因此，對ADCP而言，需要能夠并行運行多于一種的處理方法并自動調(diào)整所使用的處理方法?，F(xiàn)有ADCP系統(tǒng)的另一缺點是用于發(fā)送聲學信號(acoustic signal)以及接收深度和速率數(shù)據(jù)(即，收集回路)的子系統(tǒng)通常與運行處理方法以分析接收到的數(shù)據(jù)的子系統(tǒng)分開。這種類型的布局是沒有效率的且限制了可被收集的數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量二者。因此，對ADCP而言，需要與處理和分析子系統(tǒng)并行地運行收集回路。所以，對ADCP而言，存在能夠在同一時間工作在不同的聲頻上的需求。此外，對ADCP而言，也存在能夠同時運行多于一種的處理方法的需求。對ADCP而言，需要并行運行收集回路和處理。尤其是，ADCP需要能夠自動地改變工作頻率和處理方法以便其同時工作在不同的頻率上和采用不同的處理方法。

發(fā)明內(nèi)容
本公開及其多種實施方式通過提供能夠自動調(diào)整所發(fā)出的聲頻并能夠并行工作在多于一種的頻率上的ADCP在很大程度上緩和了已知ADCP的缺點。此外，本公開提供了一種能夠自動改變正在運行的處理方法并能夠并行運行至少兩種處理方法的ADCP。更具體地，本公開通過并行處理系統(tǒng)提供了這些優(yōu)點，借助該并行處理系統(tǒng)，一個處理器運行聲波頻率的發(fā)射和回波的接收，而另一處理器分析接收到的數(shù)據(jù)并調(diào)整所述聲波頻率和處理方法。有利地，所公開的實施方式連續(xù)不斷地監(jiān)控測量條件并利用該信息來選擇頻率和處理方法的最佳組合以優(yōu)化儀器性能。在一般的實施方式中，該系統(tǒng)和方法使用聲學子系統(tǒng)，所述聲學子系統(tǒng)包括有效地(operatively)連接到多個聲學收發(fā)器的聲學子系統(tǒng)控制器，所述多個聲學收發(fā)器中的第一個工作在第一聲頻上且被有效地連接到第一組的至少一個換能器，所述多個聲學收發(fā)器中的第二個工作在第二聲頻上且被有效地連接到第二組的至少一個換能器。該聲學子系統(tǒng)控制器適于選擇性地操作各個聲學收發(fā)器。該聲學子系統(tǒng)控制器可包含數(shù)字電路，所述數(shù)字電路被配置為對從有效地連接到多個聲學收發(fā)器的換能器組接收的模擬信號進行采樣，該數(shù)字電路成對地采樣模擬信號，具有成對方式的采樣頻率，所述成對方式的采樣頻率是所述多個聲學收發(fā)器中的有效地連接到被采樣的換能器的那一個的工作頻率的四倍。該數(shù)字電路也可對從被采樣的換能器接收的模擬信號進行采樣而在采樣對之間具有周期延遲，所述延遲為所述多個聲學收發(fā)器中的所述那一個的工作頻率的整數(shù)個周期。該聲學子系統(tǒng)可以進一步包括多路復用器，所述多路復用器適于在聲學裝置內(nèi)的多個獨立的換能器之間切換被采樣的模擬信道。在第一方面，該聲學子系統(tǒng)被安裝在水傳感器平臺上，具有第一組和第二組，所述第一組包括第一多元件換能器陣列，所述第一多元件換能器陣列適于測量水環(huán)境的第一體積內(nèi)的三維運動，所述第二組包括第一換能器，所述第一換能器適于測量到與所述第一體積角度一致的水環(huán)境的體積內(nèi)的對象的距離。第一換能器可被用于測量水環(huán)境內(nèi)的深度或海拔。在與第一方面相關(guān)的第二方面中，所述多個聲學收發(fā)器中的第三個工作在第三頻率上，有效地連接到第三換能器組，所述第三組包括多元件換能器陣列，該多元件換能器陣列適于測量與所述第一體積角度一致的水環(huán)境的體積內(nèi)的三維運動。第三工作頻率可不同于第一工作頻率，以在替代環(huán)境條件中測量三維運動。在與第一方面相關(guān)的第三方面中，第一組可包括適于測量水環(huán)境的第二體積內(nèi)的三維運動的第二多元件換能器陣列，第二組可包括適于測量到與所述第二體積角度一致的水環(huán)境的體積內(nèi)的對象的距離的第二換能器，所述第一體積和第二體積通常從水傳感器平臺指向相反的方向。第一體積和第二體積可位于傳感器平臺之上或之下，所述傳感器平臺可以是自動的或遠程操作的運載工具。在與第一方面相關(guān)的第四方面中，第二組可包括適于測量到水環(huán)境的第三體積內(nèi)的對象的距離的第三換能器，所述第三體積與所述第一體積角度不一致。第三換能器可被用于測量離航行障礙或地形(terrain)的距離，或被用于繪制地圖應用中。在一示例性實施方式中，該系統(tǒng)和方法使用集成的聲學換能器系統(tǒng)，所述集成的聲學換能器系統(tǒng)包括:工作在第一頻率上用于測量由水體內(nèi)流動的水導致的多普勒頻移的多元件換能器陣列，以及工作在第二頻率上用于測量水體的深度的角度一致的深度傳感器換能器。在另一示例性實施方式中，該系統(tǒng)和方法使用集成的換能器系統(tǒng)，所述集成的換能器系統(tǒng)包括:工作在第一頻率上用于測量由水體內(nèi)流動的水導致的多普勒頻移的第一多元件換能器陣列、工作在第二頻率上用于測量水體的深度的角度一致的深度傳感器換能器、以及工作在第三頻率上用于測量由比第一頻率處能夠測量的深度更大的深度處的流動的水導致的多普勒頻移的第三多元件換能器陣列。示例性實施方式可被用于確定通過水體的橫截面的水的流動，例如河流的排放。在示例性實施方式中，聲學多普勒系統(tǒng)包括多個聲學收發(fā)器、聲學子系統(tǒng)控制器和主處理單元。所述多個聲學收發(fā)器中的第一個工作在第一聲頻上且被有效地連接到產(chǎn)生聲學信號的第一組換能器。所述多個聲學收發(fā)器中的第二個工作在第二聲頻上且被有效地連接到產(chǎn)生聲學信號的第二組換能器。所述第一和第二個聲學收發(fā)器適于同時工作在所述第一和第二聲頻上。所述聲學子系統(tǒng)控制器被有效地連接到所述第一和第二個聲學收發(fā)器并控制由所述第一和第二組換能器產(chǎn)生的聲學信號。主處理單元被有效地連接到所述聲學子系統(tǒng)控制器。所述主處理單元適于執(zhí)行對所述第一和第二組換能器的指令以產(chǎn)生具有至少兩個頻率的聲學信號且適于并行運行至少兩種處理方法。主處理單元分析由所述第一和第二組換能器接收的數(shù)據(jù)，自動調(diào)整由所述第一和第二組換能器產(chǎn)生的聲學信號的聲頻，且自動選擇由所述第一和第二組換能器接收的數(shù)據(jù)的處理方法。該處理方法選自由不相干處理、相干脈沖處理和寬帶處理組成的組。主處理單元可解決所接收數(shù)據(jù)中的語意模糊以優(yōu)化由所述第一和第二組換能器產(chǎn)生的聲學信號的聲頻。主處理單元可適于獨立于所述多個聲學收發(fā)器中的其它聲學收發(fā)器選擇性地操作所述多個聲學收發(fā)器中的每一個聲學收發(fā)器。主處理單兀還可適于每次一個地、成組并并行地操作所述多個聲學收發(fā)器中的每一個聲學收發(fā)器。第一組換能器包括產(chǎn)生聲學信號的至少一個輪廓換能器(profile transducer)。由所述至少一個輪廓換能器產(chǎn)生的聲學信號具有選自大約IOOKHz到大約5MHz的范圍中的頻率。與一定體積的水相對所述輪廓換能器的速率相對應的多普勒頻移源自從該一定體積的水返回的輪廓回波。被所述主處理單元分析的數(shù)據(jù)涉及所返回的輪廓回波和所導出的多普勒頻移。第二組換能器包括產(chǎn)生聲學信號的至少一個深度換能器。由所述至少一個深度換能器產(chǎn)生的聲學信號具有選自大約IOOKHz到大約5MHz的范圍中的頻率。與所述深度換能器和水體底部之間的距離相對應的深度源自從水體底部返回的深度回波。被所述主處理單元分析的數(shù)據(jù)涉及所返回的深度回波和深度。本公開的實施方式進一步包括確定水的流動的方法。示例性方法包括執(zhí)行指令以并行產(chǎn)生具有至少兩個頻率的至少兩個聲學信號。第一聲學信號具有第一頻率而第二聲學信號具有第二頻率。方法包括響應于所述第一和第二聲學信號的一者或二者接收數(shù)據(jù)并分析接收到的數(shù)據(jù)。所述第一和第二聲學信號的一者或二者的頻率自動進行調(diào)整。一或更多種處理接收到的數(shù)據(jù)的方法從由不相干處理、相干脈沖處理和寬帶處理組成的組中自動選擇，且至少兩種處理方法可被并行運行。第一聲學信號可具有輪廓頻率(profile frequency)的輪廓射束(profile beam)且可具有選自大約IOOKHz到大約5MHz的范圍中的輪廓頻率。響應于所述第一聲學信號所接收的數(shù)據(jù)可以是與源自從一定體積的水返回的輪廓回波的該一定體積的水的速率相對應的多普勒頻移。被分析的數(shù)據(jù)可涉及所返回的輪廓回波和所導出的多普勒頻移。第二聲學信號可具有深度頻率的深度射束且可具有選自大約IOOKHz到大約5MHz的范圍中的深度頻率。與深度換能器和水體底部之間的距離相對應的深度源自從水體底部返回的深度回波，且被分析的數(shù)據(jù)可涉及所返回的深度回波和深度。示例性實施方式包括用于聲學多普勒系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括控制由所述聲學多普勒系統(tǒng)產(chǎn)生的聲學信號的處理單元。所述處理單元適于執(zhí)行指令以產(chǎn)生具有至少兩個頻率的聲學信號且適于并行運行至少兩種處理方法。所述處理單元分析由所述聲學多普勒系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)，自動調(diào)整由所述聲學多普勒系統(tǒng)產(chǎn)生的聲學信號的聲頻，且自動選擇處理由所述聲學多普勒系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)的方法。該處理方法可選自由不相干處理、相干脈沖處理和寬帶處理組成的組?？刂葡到y(tǒng)的實施方式可進一步包括多個聲學收發(fā)器。所述多個聲學收發(fā)器中的第一個被有效地連接到第一組換能器，而所述多個聲學收發(fā)器中的第二個被有效地連接到第二組換能器。所述多個聲學收發(fā)器中的第一個工作在第一聲頻上，且所述第一組換能器產(chǎn)生聲學信號。所述多個聲學收發(fā)器中的第二個工作在第二聲頻上，且所述第二組換能器產(chǎn)生聲學信號。所述第一和第二個聲學收發(fā)器適于并行工作在所述第一和第二聲頻上并被有效地連接到所述處理單元。參考下面的描述和附圖將會看到在各種實施方式和方面中獨立地或組合地實現(xiàn)這里所討論的特征和功能。序數(shù)形容詞(比如，“第一”、“第二”、“第三”)被用于區(qū)分已命名元件的類似實例，而非描述這樣的元件的所需數(shù)量或順序，也就是說，即使在不存在第二組換能器時也可存在“第一”和“第三”組換能器(除非有相反的明確說明)。


附圖示出該系統(tǒng)和方法的各個方面。下面給出每張附圖的簡要說明。在每張附圖中的具有相同參考數(shù)字的元件表示相同的或者功能上相似的元件。圖1A為該系統(tǒng)和方法的一個實施例中的電子設(shè)備套件(electronics package)的框圖。圖1B-1F為圖1A所示的聲學子系統(tǒng)控制器30元件的組件的示意圖。圖1B-A至圖1B-D為圖1B在其中示出的局部視圖。圖1D-A和ID-B為圖1D在其中示出的局部視圖。圖1E-A和IE-B為圖1E在其中示出的局部視圖。圖1G為描繪從換能器接收到的模擬信號進行采樣的信號圖，該換能器與以第一聲頻(例如0.5MHz)工作的聲學收發(fā)器有效地連接。圖2A為該系統(tǒng)和方法的一種實施例的操作程序的流程圖。圖2B為該系統(tǒng)和方法的一種實施例的操作程序的流程圖。圖3示出了該系統(tǒng)和方法的一個方面中的采用了 4射束多元件換能器陣列和單個射束換能器的5射束換能器系統(tǒng)。
圖4示出了所述系統(tǒng)和方法的一個方面中的采用了第一 4射束多元件換能器陣列和第二 4射束多元件換能器陣列和單個射束換能器的9射束換能器系統(tǒng)。圖5示出了在速度輪廓應用中采用的附加的前視單一射束換能器。圖6示出了在速度輪廓應用中采用的兩個附加的側(cè)視單一射束換能器。圖7示出了在該系統(tǒng)和方法的一個方面中的采用向上定位的4射束多元件換能器陣列/單一射束換能器傳感器組和向下定位的4射束多元件換能器陣列/單一射束換能器傳感器組的10射束換能器系統(tǒng)。圖8是聲學傳感器平臺為可浸入水中的運載工具的應用的圖，兩個通常相反地指向的多元件換能器陣列被用于速度輪廓應用中。
具體實施例方式多頻多射束聲學多普勒系統(tǒng)可被用于獲得水體(例如，運河、河流、海峽、海灣乃至開闊水區(qū))內(nèi)的速度輪廓，以獲得諸如排放輪廓、水流輪廓等的信息，以用于水資源管理、河流和港灣建模、航行繪制地圖及其他應用。在這樣的系統(tǒng)中，采用多個頻率的聲學能量的能力提供一種用于依賴于要獲得的數(shù)據(jù)的類型以及聲學環(huán)境的條件調(diào)適數(shù)據(jù)收集處理的有用的裝置。例如，低頻率聲學能量(例如0.5MHz脈沖)可良好地適合用于測距，高頻率的聲學能量(例如3.0MHz脈沖)可良好地適合用于在高達5米的范圍上的多普勒測量和速度估計，而中頻聲學能量(例如IMHz脈沖)可較好地適合高達30米的擴展范圍上的多普勒測量和速度估計，但以降低的采樣頻率和降低的測量細節(jié)為代價。并入多頻傳感器的聲學多普勒系統(tǒng)迄今為止是從多個獨立的聲學系統(tǒng)組合的，其中各聲學系統(tǒng)包括換能器、收發(fā)器和被設(shè)計用于控制特定的換能器或多元件換能器陣列以在單一聲頻工作的控制器/信號處理器?？赏ㄟ^將該系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)(例如速度輪廓、底部之上的高度或距水面的深度)轉(zhuǎn)發(fā)到通用計算機以供分析和進一步的處理來組合這樣的獨立的系統(tǒng)。然而，這樣的系統(tǒng)的集合體不能容易地容納以相同聲頻工作的多個系統(tǒng)，由旁瓣干涉(side-lobe interference)導致的系統(tǒng)之間的串擾、雙路徑反射和多路徑反射以及其他的現(xiàn)象可能干擾各系統(tǒng)所進行的測量和后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。這樣的系統(tǒng)的集合體也可能是昂貴的和龐大的，因為各聲學系統(tǒng)在其本質(zhì)上是被設(shè)計用于獨立工作的，并且如果要將實時的或半實時的信息呈現(xiàn)給負責指示水傳感器平臺或響應于水環(huán)境中的條件進行調(diào)制操作的現(xiàn)場操作者則各聲學系統(tǒng)必須聯(lián)網(wǎng)回到再另一個獨立的系統(tǒng)(例如膝上型計算機)。先參照圖1A，本系統(tǒng)和方法通過經(jīng)由共用的聲學子系統(tǒng)控制器30互連多個聲學收發(fā)器20和換能器組10來允許多個聲學系統(tǒng)更有效地被控制和工作。該聲學子系統(tǒng)控制器30適于選擇性地操作各單個的聲學收發(fā)器。聲學子系統(tǒng)控制器30還適于傳遞收發(fā)器信號到主處理單元35，主處理單元35包括信號處理硬件(例如，通用的處理單元、數(shù)字信號處理單元等)，主處理單元的硬件通常是業(yè)界已知的，值得注意的是，聲學收發(fā)器21中的第一個可以第一聲頻(例如3MHz)工作并且連接到多元件換能器陣列中的一組換能器lla、llb、Ilc和lld，例如用于通常由該陣列的射束界定的體積內(nèi)的多普勒測量和速度估計(如以下在示例性的實施例中所進一步描述的那樣)。聲學收發(fā)器22中的第二個可以第二聲頻(例如0.5MHz)工作并且連接到換能器12a，例如用于測量到聲學射束所限定的體積內(nèi)的對象的距離(如以下在示例性的實施例中所進一步描述的那樣)，所述聲學射束所限定的體積與換能器lla、llb、llc和Ild所限定的體積角度一致。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到，提及與其他的射束或體積“角度一致”的射束或體積時是將水傳感器平臺用作用于比較的共同的起源/參考點的，該環(huán)境中的“對象”是水介質(zhì)之間的任何過渡部分(transition)和大的介質(zhì)(例如空氣、陸地、金屬等，例如包括水體的表面、水體的地基、航道或管道的壁、以及諸如浮標、錨具的海工建筑等)。 聲學子系統(tǒng)控制器30優(yōu)選為模塊化的，以使得可通過本質(zhì)上相同的硬件連接另外的聲學收發(fā)器20，以增加另外的頻率能力。例如，聲學收發(fā)器中的第三個23可以第三聲頻(例如IMHz)工作并且連接到多元件換能器陣列中的一組換能器13a、13b、13c和13d，例如用于與換能器lla、llb、llc和Ild所限定的體積角度一致的并且通常由該陣列的射束界定的體積內(nèi)的多普勒測量和速度估計。第三收發(fā)器23和第三換能器組可被用于例如替選的環(huán)境條件(諸如更深的水體、不同類型的地基(例如，巖石或泥濘的地基)、不同類型的水面(例如，平靜的、攪渾的或上面結(jié)冰的)、以及不同類型的聲學性質(zhì)(例如，清水與攜載大量懸浮固體物質(zhì)的水))中的多普勒測量和速度估計。本領(lǐng)域技術(shù)人員還會認識到所描述的系統(tǒng)可被用于獲得本質(zhì)上任何充分大的水環(huán)境中的速度輪廓，并且可在包括如下所述的那些變化的方向上進行工作。 從多個聲學收發(fā)器20中的收發(fā)器可通過聲學子系統(tǒng)控制器30獨立地工作以使得換能器組10(例如，組lla、llb、llc和Ild)可被關(guān)閉以避免按相同聲頻工作的換能器組(例如，不同地指向的換能器傳感器組中的換能器)之間的干涉或串擾兩者的意義上講，聲學子系統(tǒng)控制器30也優(yōu)選地為模塊化的。當水傳感器平臺變得位置太接近于水體的邊界(例如，運河的岸)、或者遇到作為聲學能量的有效率的反射器的對象(諸如海底管線)時，可出現(xiàn)這樣的干涉或串擾。雖然典型地將提供和/或增加另外的聲學收發(fā)器20以增加另外的頻率能力，但是收發(fā)器不是必須提供另外的頻率能力。例如，聲學收發(fā)器中的第四個24可以第二聲頻工作并且連接到一組換能器14a和14b，以例如用于測量到由相應的聲學射束限定的、角度不彼此一致的體積內(nèi)的對象的距離。聲學收發(fā)器中的第五個25可利用一組換能器15a、15b、15c等或者以上述的聲頻中的一個或者以再另一個聲頻工作，所述一組換能器15a、15b、15c等被配置用于本質(zhì)上要求通過以共用的聲頻驅(qū)動的換能器進行聲學感測和分析的任何已知的應用。因此，聲學子系統(tǒng)控制器30和主處理單元35允許多個多頻和/或多射束聲學系統(tǒng)通過單一硬件接口被操作者控制、采樣和概括。硬件接口還可包括:內(nèi)部傳感器40 (諸如傾斜和搖晃傳感器、數(shù)字指南針等)；對于傳感器的外部傳感器接口 42，諸如GPS接口、溫度傳感器、鹽度傳感器等；用于通過電纜、光纜、無線電和/或聲學無線遠程通信連接傳輸控制信號和/或結(jié)果的用戶通信模數(shù)44 ;用于向系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲器48供給電力的電力管理器46，所述數(shù)據(jù)存儲器48用于根據(jù)制造者和/或現(xiàn)場操作者的要求記錄分析結(jié)果、測量的數(shù)據(jù)、來自聲學收發(fā)器的所選擇的信號、控制信號、硬件狀態(tài)等。參照圖1B-1F，聲學子系統(tǒng)控制器30可包含數(shù)字電路，所述數(shù)字電路被配置為對從有效地連接到多個聲學收發(fā)器20的換能器組10接收的模擬信號進行采樣，對模擬信號成對地進行采樣的所述數(shù)字電路具有成對方式的采樣頻率(所述采樣頻率是有效地連接到被采樣的換能器的多個聲學收發(fā)器中的那一個的工作頻率的四倍)，即，所述對以由相關(guān)聯(lián)的收發(fā)器產(chǎn)生的發(fā)射波的周期的四分之一(或發(fā)射的波形的周期的四分之一)相隔。該數(shù)字電路通常包括有效地連接到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)32a的邏輯處理器31，并且可包括多路復用器33a，所述多路復用器33a適于在傳送來自單獨的換能器的模擬信號的線路之間切換A/D轉(zhuǎn)換器所采樣的模擬信道。在圖1B所示的圖解的方面中，邏輯處理器31是與微控制器配對的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，所述微控制器控制基準信號發(fā)生器34(在圖1F中示出)，但是在其他的方面中，該邏輯處理器本身可控制基準信號發(fā)生器34，并且在更其他的方面，邏輯處理器31可為應用特定的集成電路(ASIC)、高速通用處理器或其他的等同的處理裝置。在圖1C和ID所示的圖解的方面中，邏輯處理器31有效地連接到第一 A/D轉(zhuǎn)換器32a和第一多路復用器33a以對接受的信號頻率和相位(即，聲頻，由換能器所接收的反射的聲學能量的聲頻，可能是多普勒偏移的聲頻)進行采樣，并且連接到第二 A/D轉(zhuǎn)換器32b和第二多路復用器33b以對接受的信號強度(即，由換能器所接收的反射的聲學能量的大小)進行采樣?，F(xiàn)場可編程門陣列邏輯處理器31、雙A/D轉(zhuǎn)換器32a和32b以及雙多路復用器33a和33b的組合允許從較低速度和更有電力效率的部件制造該電路，同時避免定制ASIC設(shè)計的費用。聲學子系統(tǒng)控制器30還可適于有效地控制多個聲學收發(fā)器20,以根據(jù)米樣方案54中的指令(以下進一步詳細描述)使指定的換能器組10發(fā)出指定數(shù)量的具有指定的持續(xù)時間和間隔聲音，或者由主處理單元35執(zhí)行。在這樣的方面中，聲學子系統(tǒng)控制器30可包括適于將由邏輯處理器31生成的收發(fā)器控制信號指示到多個聲學收發(fā)器20中的所選擇的一個的電路，這樣的電路的例子在圖1E中示出。在該圖解的方面中，該電路適于根據(jù)由邏輯處理器31或主處理單元35控制的傳輸使能信號線“TX_EN[#] ”的操作將由邏輯處理器31生成的收發(fā)器控制信號一次一個地、成組地和同時地導向到多個聲學收發(fā)器。從邏輯處理器31起的傳輸線路“XI”和“X2”連接到到達單獨的聲學收發(fā)器的傳輸線路“Xl_[#]”和“X2_[#] ”，以允許邏輯處理器獨立于其它聲學收發(fā)器地選擇性地操作多個聲學收發(fā)器20中的各聲學收發(fā)器。傳輸使能信號線的同時操作還允許從邏輯處理器31起的傳輸線路同時地操作聲學收發(fā)器組或全部所述多個聲學收發(fā)器。如圖1G所示，數(shù)字電路對從被采樣的換能器(諸如換能器Ila)接收的模擬信號進行采樣，以獲得數(shù)字采樣對，所述數(shù)字采樣對以該換能器發(fā)聲期間發(fā)射的波的周期的四分之一相隔。示例性的發(fā)射波形示出在行A上，示例性的多普勒偏移的接收的波形示出在行B上。邏輯處理器31在由主處理單元35確定的工作頻率的整數(shù)個周期處對A/D轉(zhuǎn)換器32a進行采樣，并且對涉及收發(fā)器和被采樣的換能器(例如，收發(fā)器22和換能器12a)的工作頻率的(由單獨的收發(fā)器供給的或由用戶輸入的)信息進行采樣。各個采樣組成數(shù)值對，所述數(shù)值對相隔所述工作頻率的周期的四分之一，包含關(guān)于所接受的信號頻率和相位的信息。為了圖解的明晰，采樣所述對的第一成員的時機示出在行C上，采樣所述對的第二成員的時機示出在行D上。通過以與收發(fā)器和被采樣的換能器的工作頻率相同的頻率對從被采樣的換能器接收的模擬信號進行采樣，有效地去除了發(fā)射波形的頻率，而使得僅僅多普勒偏移頻率分量被反映在作為結(jié)果得到的數(shù)字值中。通過成對地(所述對相隔所發(fā)射的波形的周期的四分之一)對從被采樣的換能器接收的模擬信號進行采樣，所述對的成員可被當做多普勒偏移信號的余弦(同相)分量和正弦(正交)分量。該數(shù)字采樣系統(tǒng)和方法有利地消除了現(xiàn)有的單一頻率聲學多普勒控制器/信號處理器中所發(fā)現(xiàn)的頻率特定的模擬正交解調(diào)電路。在美國再頒專利第35535號中示出和討論了這樣的電路的例子，其全部內(nèi)容在此通過引用被并入。根據(jù)諸如在所引用的專利中所討論的或現(xiàn)有技術(shù)中可得到的其他的方法，從A/D轉(zhuǎn)換器33a獲得的一系列數(shù)字值可被存儲在邏輯處理器31中，并被進一步處理以確定所接收的聲學能量的多普勒頻率，并且最終確定水介質(zhì)的部分的相對速度。在邏輯處理器31對第二 A/D轉(zhuǎn)換器32b和第二多路復用器33b進行采樣以對接受的信號強度進行采樣的圖1C和ID所示的方面中，對于每一采樣事件第二 A/D轉(zhuǎn)換器32b可僅被采樣一次(例如在采樣所述對的第一成員的期間)，以獲得所接受的信號強度信息以供存儲和根據(jù)已知的方法進一步進行處理。為了容易和明晰的圖解，在圖1G中所示出的示例性的信號包括放大的多普勒頻移。實際上，聲學子系統(tǒng)控制器30不必每一發(fā)射波周期一次地對從被采樣的換能器接收的模擬信號進行采樣。作為替代，數(shù)字電路對模擬信號的采樣也可在采樣操作之間具有周期延遲，該延遲是所述多個聲學收發(fā)器中的那一個的工作頻率的多個周期。在一個方面，邏輯處理器31對A/D轉(zhuǎn)換器32a采樣從特定的換能器接收的模擬信號，以在該發(fā)射波的每第八個周期(即，以作為有效地連接到被采樣的換能器的多個聲學收發(fā)器中的那一個的工作頻率的八分之一的速率)獲得一個對。取決于制造者或用戶操作者希望在多普勒速度計量過程期間解析的所接收的模擬信號的帶寬，該周期的數(shù)目(或者對之間的時間間隔)可在其他的方面中變化。參照圖2A，聲學子系統(tǒng)控制器30和主處理單元35借助于有效地連接到多個聲學收發(fā)器20和換能器組10而非任何單一的組可適于根據(jù)水環(huán)境內(nèi)的條件將采樣數(shù)據(jù)的集合重新排序和優(yōu)化(即使沒有來自系統(tǒng)的現(xiàn)場操作者的運行時間介入)。替代地，該系統(tǒng)可經(jīng)由用戶輸入描述和/或優(yōu)選地經(jīng)由利用所謂的“即插即用”方法的硬件自我識別來評估可利用的收發(fā)器/換能器硬件52，并且獲得用戶指定的采樣方案54。系統(tǒng)然后可在步驟50處自創(chuàng)建初始的采樣策略，實現(xiàn)用戶指定的方案，同時自動地解決可利用的收發(fā)器/換能器硬件52之間的沖突。例如，會期望要求生成具有相同的聲頻但角度彼此不一致的聲學射束的換能器14a和14b被操作為在換能器14a和換能器14b的聲脈沖(pinging)之間具有幾毫秒的延遲，以避免可干擾測量和數(shù)據(jù)分析的雙反射、多路徑反射以及其他的現(xiàn)象。此外，會期望要求收發(fā)器22和24以及與其關(guān)聯(lián)的換能器被操作為在換能器12a、14a和14b的聲脈沖之間具有幾毫秒的延遲，以避免可在以相同聲頻工作的另外的分離的子系統(tǒng)中干擾測量和數(shù)據(jù)分析的側(cè)葉干涉、雙路徑反射和多路徑反射以及其他的現(xiàn)象。該系統(tǒng)然后可基于用戶指定的采樣方案54和在步驟50確定的初始的采樣策略在步驟60開始收集采樣數(shù)據(jù)。從收發(fā)器20和相關(guān)聯(lián)的換能器10接收的信號被聲學子系統(tǒng)控制器30數(shù)字化、傳送到主處理單元35，并且與從內(nèi)部傳感器40和外部傳感器接口 42獲得的數(shù)據(jù)被組合地用于在步驟65計算派生數(shù)據(jù)參數(shù)和分析結(jié)果(諸如深度或高度、速度估計、排放或水流估計等)。該系統(tǒng)然后可在步驟70至少輸出派生數(shù)據(jù)和分析結(jié)果(集合地數(shù)據(jù))到用戶通信模塊44和/或數(shù)據(jù)存儲器48。值得注意的是，通過聲學子系統(tǒng)控制器30與主處理單元35內(nèi)的集中控制和信號處理，該系統(tǒng)和方法可在步驟80調(diào)整采樣策略。例如，系統(tǒng)可在對換能器12a進行采樣之后，根據(jù)諸如由水介質(zhì)和/或水面和/或地基的特性引起的信號品質(zhì)、所測量的深度或海拔、所測量的水或底部流速(特別是指示水傳感器平臺的快速運動的底部流速)等因素，確定僅使用聲學收發(fā)器21或23以及相關(guān)聯(lián)的換能器的多普勒測量是不令人滿意的，并且調(diào)整采樣策略以包括利用聲學收發(fā)器21和23的多普勒測量，或者反過來。進一步例如，該系統(tǒng)可在對可利用的換能器進行采樣之后，通過改變聲脈沖序列和時機來優(yōu)化換能器之間的采樣，以避免側(cè)葉干涉、雙路徑反射和多路徑反射以及其他的現(xiàn)象，同時在可能的情況下保持用戶指定的采樣方案和所要求的數(shù)據(jù)分辨率。另夕卜，該系統(tǒng)可改變聲學處理方法，諸如濾波和校正方案。最后，該系統(tǒng)可響應于運行時的用戶輸入82 (諸如偏好的改變或手動更改系統(tǒng)的自創(chuàng)建的采樣策略)改變采樣策略和/或計算/處理方法的任何方面，但是對于參照圖2B所描述的自動實施例，不要求運行時用戶輸A (run-time user input)。轉(zhuǎn)到圖2B,其描繪了允許對聲頻自動控制和調(diào)整的ADCP的示例性實施例以及處理方法。該系統(tǒng)架構(gòu)基本上與上面參照圖2A描述的系統(tǒng)架構(gòu)相同，但是許多數(shù)據(jù)處理步驟是不同的?？傮w來說，基于連續(xù)收集的水深度和速率數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)自動選擇最佳的聲頻和處理方法來檢測速率。有利的是，該系統(tǒng)能并行運行至少兩個獨立的頻率和處理方法。該系統(tǒng)還包含并行處理，以便該聲學子系統(tǒng)控制器30控制聲學信號的產(chǎn)生和數(shù)據(jù)的接收，同時該主處理單元35分析該數(shù)據(jù)并調(diào)整該頻率和處理方法。應注意的是，該信號產(chǎn)生的自動控制、數(shù)據(jù)分析和頻率以及處理方法的調(diào)整能由單個處理單元來執(zhí)行。該頻率和處理方法對(pairings)包括但不限于IMHz不相干脈沖(Incoherent) (IC)和IMHz相干脈沖(Pulse Coherent) (PC) ；lMHz寬帶(BB)和3MHz不相干脈沖；和3MHz相干脈沖和3MHz寬帶。可以任意組合使用一個以上的頻率和處理方法對，一些不相干速率信號由于它們的高的最大速率優(yōu)選總是被傳送。如上面參考圖1A所闡述的，聲學子系統(tǒng)控制器30和主處理單元35與多個聲學收發(fā)器20和換能器組10有效連接。在運行中，如圖2A所示，該ADCP訪問可獲得的收發(fā)器/換能器硬件52，然后在步驟50自我創(chuàng)建初始的采樣策略。該系統(tǒng)基于用戶指定的采樣方案54和在步驟50確定的初始的采樣策略在步驟60開始收集采樣數(shù)據(jù)。從收發(fā)器20和相關(guān)聯(lián)的換能器10接收的信號被聲學子系統(tǒng)控制器30數(shù)字化并被傳送到主處理單元35。在示例性實施例中，該系統(tǒng)并行收集三種類型的信號或“聲脈沖”，包括不相干處理、相干脈沖處理和用于模糊度解算的第三信號。該不相干數(shù)據(jù)被用于追蹤速率。更具體地，該系統(tǒng)將用于每個換能器射束的不相干速率的所有有效信元(valid cells)求平均，然后對該平均的射束速率值進行濾波。應注意的是，該ADCP的最小的操作深度由獲得一個有效不相干速率信元所必須的最小深度決定。用于3MHz不相干配置的這種深度約為該換能器下方的28cm的水深(S卩，約5cm空白、約IOcm的脈沖、約IOcm信元和用于旁瓣的10%限量)?；陬l率和不相干配置，這些值是變化的，并且在一些情況下，該旁瓣限量不是必須的。該求平均和濾波步驟有利地將該速率數(shù)據(jù)中的噪音減小到可接受的水平。所有的換能器射束的最大的被平均和濾波的不相干速率是用于確定合適速率方法的最大射束速率。該系統(tǒng)將至少約80%的安全裕度(safety margin)應用到速率標準以解釋噪音以及求平均和濾波的效果。而且，在某些情況下，一組換能器射束追蹤不相干速率，而從該第一組旋轉(zhuǎn)45度的另一組射束追蹤相干脈沖或者寬帶速率。在這些情況中，該能夠被觀察到的最大的射束速率會發(fā)生改變，使得該安全裕度的應用是必要的。額外的優(yōu)化可包括結(jié)合該被追蹤的不相干射束速率以確定在任何方向上任何射束組將會看見的最大的射束速率。這有利地有助于保持約80%的安全裕度，該安全裕度需要被用于條件的快速改變，例如快速將該ADCP移入具有不同深度和速率的新的區(qū)域。下面將參考圖2C描述一種選擇最佳的聲頻信號的方法的示例性實施例。該主處理單元35基于連續(xù)追蹤和更新的深度和速率值選擇最佳的速率測量方法。下面的表格概述了用于約5米水深的選擇方法的示例性實施例。
權(quán)利要求
1.一種聲學多普勒系統(tǒng)，包括: 多個聲學收發(fā)器； 所述多個聲學收發(fā)器中的第一個工作在第一聲頻上且被有效地連接到產(chǎn)生聲學信號的第一組換能器； 所述多個聲學收發(fā)器中的第二個工作在第二聲頻上且被有效地連接到產(chǎn)生聲學信號的第二組換能器； 所述第一和第二個聲學收發(fā)器適于并行工作在所述第一和第二聲頻上； 聲學子系統(tǒng)控制器，其被有效地連接到所述第一和第二個聲學收發(fā)器，所述聲學子系統(tǒng)控制器控制由所述第一和第二組換能器產(chǎn)生的聲學信號；以及 主處理單元，其被有效地連接到所述聲學子系統(tǒng)控制器，所述主處理單元適于執(zhí)行對所述第一和第二組換能器的指令以產(chǎn)生具有至少兩個頻率的聲學信號且適于并行運行至少兩種處理方法； 所述主處理單元分析由所述第一和第二組換能器接收的數(shù)據(jù)，自動調(diào)整由所述第一和第二組換能器產(chǎn)生的所述聲學信號的聲頻，且自動選擇處理由所述第一和第二組換能器接收的數(shù)據(jù)的方法。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述處理的方法選自由不相干處理、相干脈沖處理和寬帶處理組成的組。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一組換能器包括產(chǎn)生聲學信號的至少一個輪廓換能器，且其中與一定體積的水相對于所述輪廓換能器的速率相對應的多普勒頻移源自從所述一定體積的水返回的輪廓回波。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中被所述主處理單元分析的數(shù)據(jù)包括返回的所述輪廓回波和導出的所述多普勒頻移。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第二組換能器包括產(chǎn)生聲學信號的至少一個深度換能器且其中與所述深度換能器和水體底部之間的距離相對應的深度源自從所述水體底部返回的深度回波。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中被所述主處理單元分析的數(shù)據(jù)包括返回的所述深度回波和所述深度。
7.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中由所述至少一個輪廓換能器產(chǎn)生的所述聲學信號具有選自大約IOOKHz到大約5MHz的范圍中的頻率。
8.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中由所述至少一個深度換能器產(chǎn)生的所述聲學信號具有選自大約IOOKHz到大約5MHz的范圍中的頻率。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述主處理單元適于獨立于所述多個聲學收發(fā)器中的其它聲學收發(fā)器選擇性地操作所述多個聲學收發(fā)器中的每一個聲學收發(fā)器。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述主處理單元適于每次一個地、成組并同時地操作所述多個聲學收發(fā)器中的每一個聲學收發(fā)器。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述主處理單元解決所接收數(shù)據(jù)中的語意模糊以優(yōu)化由所述第一和第二組換能器產(chǎn)生的所述聲學信號的聲頻。
12.一種確定水的流動的方法，包括: 執(zhí)行指令以并行產(chǎn)生具有至少兩個頻率的至少兩個聲學信號；并行產(chǎn)生第一頻率的第一聲學信號和第二頻率的第二聲學信號； 響應于所述第一和第二聲學信號的一者或二者接收數(shù)據(jù)； 分析接收到的所述數(shù)據(jù)； 自動調(diào)整所述第一和第二聲學信號的一者或二者的聲頻； 自動選擇處理接收到的所述數(shù)據(jù)的方法，所述處理的方法選自由不相干處理、相干脈沖處理和寬帶處理組成的組；以及 并行運行至少兩種處理方法。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一聲學信號具有輪廓頻率的輪廓射束且其中響應于所述第一聲學信號接收的所述數(shù)據(jù)是與一定體積的水的速率相對應的多普勒頻移，所述一定體積的水的速率源自從該一定體積的水返回的輪廓回波。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中被分析的所述數(shù)據(jù)包括返回的所述輪廓回波和導出的所述多普勒頻移。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第二聲學信號具有深度頻率的深度射束且其中與深度換能器和水體底部之間的距離相對應的深度源自從所述水體底部返回的深度回波。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中被分析的所述數(shù)據(jù)包括返回的所述深度回波和所述深度。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所產(chǎn)生的所述聲學信號具有選自大約IOOKHz到大約5MHz的范圍中的輪廓頻率。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所產(chǎn)生的所述聲學信號具有選自大約IOOKHz到大約5MHz的范圍中的深度頻率。
19.一種用于聲學多普勒系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，包括: 控制由聲學多普勒系統(tǒng)產(chǎn)生的聲學信號的處理單元； 所述處理單元適于執(zhí)行指令以產(chǎn)生具有至少兩個頻率的聲學信號且適于并行運行至少兩種處理方法； 所述處理單元分析由所述聲學多普勒系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)，自動調(diào)整由所述聲學多普勒系統(tǒng)產(chǎn)生的所述聲學信號的聲頻，且自動選擇處理由所述聲學多普勒系統(tǒng)接收的所述數(shù)據(jù)的方法。
20.如權(quán)利要求19所述的控制系統(tǒng)，其中所述處理的方法選自由不相干處理、相干脈沖處理和寬帶處理組成的組。
21.如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，進一步包括: 多個聲學收發(fā)器，所述多個聲學收發(fā)器中的第一個工作在第一聲頻上且被有效地連接到產(chǎn)生聲學信號的第一組換能器； 所述多個聲學收發(fā)器中的第二個工作在第二聲頻上且被有效地連接到產(chǎn)生聲學信號的第二組換能器； 所述第一和第二個聲學收發(fā)器適于并行工作在所述第一和第二聲頻上且被有效地連接到所述處理單元。
全文摘要
一種聲學多普勒系統(tǒng)包括多個聲學收發(fā)器、聲學子系統(tǒng)控制器和有效地連接到聲學子系統(tǒng)控制器的主處理單元。多個聲學收發(fā)器中的第一個工作在第一聲頻上且被有效地連接到產(chǎn)生聲學信號的第一組換能器。多個聲學收發(fā)器中的第二個工作在第二聲頻上且被有效地連接到產(chǎn)生聲學信號的第二組換能器。第一和第二個聲學收發(fā)器適于并行工作在第一和第二聲頻上。聲學子系統(tǒng)控制器被有效地連接到第一和第二個聲學收發(fā)器并控制由第一和第二組換能器產(chǎn)生的聲學信號。主處理單元適于執(zhí)行對第一和第二組換能器的指令以產(chǎn)生具有至少兩個頻率的聲學信號且適于并行運行至少兩種處理方法。主處理單元分析由第一和第二組換能器接收的數(shù)據(jù)，自動調(diào)整由第一和第二組換能器產(chǎn)生的聲學信號的聲頻，且自動選擇處理由第一和第二組換能器接收的數(shù)據(jù)的方法。
文檔編號G01S15/58GK103119468SQ201180046066
公開日2013年5月22日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月24日
發(fā)明者克雷格·胡赫塔, 拉蒙·卡布雷拉, 日夫科·格羅澤夫, 約翰·斯洛特, 亞歷山大·科瓦切夫, 達麗爾·斯洛克姆 申請人:Ysi公司