專利名稱：用相控陣換能器進行聲波多普勒速度處理的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及速度測量系統(tǒng)，特別是，涉及聲學(xué)多普勒水流剖面儀，其它水下裝置例如多普勒計程儀，和雷達(dá)應(yīng)用。
背景技術(shù)：
水流剖面儀是一種聲納系統(tǒng)，用于在變化的距離中遠(yuǎn)程測量水的速度。水流剖面儀用于例如河流、湖泊和港灣的淡水環(huán)境，也用于例如海洋的咸水環(huán)境中，以研究水流速度的影響。在各個領(lǐng)域，例如天氣預(yù)報，營養(yǎng)物的生物研究、污水?dāng)U散的環(huán)境研究，以及包括石油在內(nèi)的自然資源的商業(yè)開發(fā)中，精確測量水流速度都是很重要的。典型地，水流剖面儀對于在上至最大距離的水的每個深度“單元”中，測量水的垂直體積的流速，這樣產(chǎn)生水的速度的“剖面”。一般的剖面儀系統(tǒng)包括換能器，以生成聲音的脈沖(其在下變頻為人類聽覺頻率時聽起來像“砰”)，其從水中的浮游生物、小顆粒、以及小型的不同類的東西作為回聲反向散射。類似地，底部跟蹤多普勒速度計程儀從底部表面接收反向散射的回聲。接收的聲音具有與散射物和換能器之間的相對速度成比例的多普勒頻移。通過下述方程可以簡要說明從該多普勒頻移確定單個速度矢量的分量Vx的物理現(xiàn)象Vx方程1在方程I中，c是聲音在水中的速度，大約是1500米/秒。這樣，通過獲知發(fā)送的聲音的頻率，fT，以及發(fā)射機換能器的偏角，0，并通過測量從單個窄帶脈沖接收的頻率，多普勒頻移，fD，就可以確定一個速度矢量的分量。通過減去船只地面參考速度，Ve的測量值，可以確定測量的水平“切片”或深度單元的相對速度。通過無論海底何時到達(dá)聲納距離內(nèi)都對其進行回聲測距，或者通過導(dǎo)航系統(tǒng)例如LORAN或GPS來測量地面參考速度。圖Ia和Ib示出了示例性的水流剖面，其中北面和東面的水流速度(Vx，Vy)示出為深度單元的函數(shù)。在一些結(jié)構(gòu)中，水流剖面儀構(gòu)造為四個分散的換能器的組件，該四個分散的換能器圍繞電子器件外殼彼此間隔90°方位角。該換能器布置在本技術(shù)領(lǐng)域公知為Janus結(jié)構(gòu)。假設(shè)水流在垂直于換能器的交互軸的平面上是均勻的，那么一個具有三個波束的系統(tǒng)允許測量三個速度分量，Vx, Vy和Vz (在海洋學(xué)文獻中分別識別為u，V, w)。但是，使用四個波束經(jīng)常是為了冗余和可靠性。水流剖面儀系統(tǒng)可以連接至船只的船體上，保持在靜止的浮標(biāo)上，或者像圖2中示出的水流剖面儀10 —樣系泊在海底。水流剖面儀受各種因素綜合控制，其中該各種因素包括最大剖面距離和時間，空間(深度單元的尺寸)，以及速度分辨率。時間分辨率是指實現(xiàn)具有所需精度的速度估計值所需要的時間。在典型的應(yīng)用中，水流剖面儀將進行一系列測量，然后將它們在一起平均以產(chǎn)生單個速度估計值，且其具有可接受的速度方差，或平方差。在一些應(yīng)用中，在觀測中偏差比方差更受關(guān)注。偏差是測量的速度和實際速度之間的差值。例如，它由頻帶受限的系統(tǒng)組件的不對稱性引起。甚至在長期平均已經(jīng)將方差減小至預(yù)定可接受的限值時，測量偏差還存在。例如，偏差支配典型地出現(xiàn)在測量大規(guī)模的特征上，例如溫度和鹽度界面上出現(xiàn)的那些特征。除了水流剖面儀外，還有許多其它的速度測量系統(tǒng)。一些示例是雷達(dá)系統(tǒng)、空氣流測量系統(tǒng)、以及其它水下儀器，例如測量汽車或船只相對于水體表面或底部的速度的多普勒計程儀。所有這些速度測量系統(tǒng)具有很廣范圍的應(yīng)用，利用和/或修改這些類型的設(shè)備的特性使得它們的特征能夠被開發(fā)以改進現(xiàn)有產(chǎn)品和產(chǎn)生還未開發(fā)的新產(chǎn)品，這對于本領(lǐng)域來說是有益的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的系統(tǒng)、方法、和設(shè)備每個都具有幾個方面，這幾個方面中沒有一個可以單獨承擔(dān)起想要出現(xiàn)的屬性。在不限制本發(fā)明保護范圍的情況下，現(xiàn)在將簡要討論其較顯著的特征。一方面，具有一種利用測量系統(tǒng)測量流體介質(zhì)速度的方法，其中該測量系統(tǒng)包括換能器。該方法包括發(fā)送第一組的一個或多個信號，其中該信號的帶寬基本寬于測量系統(tǒng)的帶寬，從第一組信號接收回聲；至少部分基于第一組信號的回聲而獲得第一速度估計值；發(fā)送第二組的一個或多個信號，其中該信號的帶寬基本等于或窄于測量系統(tǒng)的帶寬；從第二組信號接收回聲；至少部分基于第二組信號的回聲而獲得兩個或更多可能的速度估計值；以及基于第一速度估計值，從可能的速度估計值中選擇一個。在另一方面，具有一種構(gòu)造為測量速度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括換能器，其構(gòu)造為發(fā)送第一組的一個或多個信號和第二組的一個或多個信號，以及從第一和第二組信號中接收回聲信號，其中第一組的一個或多個信號的帶寬基本寬于系統(tǒng)的帶寬；第二組的一個或多個信號的帶寬基本等于窄于所述測量系統(tǒng)的帶寬。該系統(tǒng)進一步包括處理模塊，以部分基于 第一組信號的回聲而獲得第一速度估計值，以及至少部分基于第二組信號的回聲而獲得兩個或更多可能的速度估計值，并基于第一速度估計值而從可能的速度估計值中選擇一個。在另一方面，具有一種構(gòu)造為測量速度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于發(fā)送第一組的一個或多個信號的裝置，其中該信號的帶寬基本寬于測量系統(tǒng)的帶寬；用于從第一組信號接收回聲的裝置；至少部分基于第一組信號的回聲而獲得第一速度估計值的裝置；用于發(fā)送第二組的一個或多個信號的裝置，其中該信號的帶寬基本等于或窄于測量系統(tǒng)的帶寬；用于從第二組信號接收回聲的裝置；至少部分基于第二組信號的回聲而獲得兩個或更多可能的速度估計值的裝置；以及基于第一速度估計值，從可能的速度估計值中選擇一個的裝置。在另一方面，具有一種利用相控陣換能器測量流體介質(zhì)速度的方法。該相控陣換能器包括多個換能器元件，其布置為形成單個的二維陣列。該方法包括接收由換能器生成的多個波束的回聲，至少部分基于該回聲，計算初步速度估計值；以及從初步速度估計值中基本去除與第一速度相關(guān)的偏差。第一速度垂直于二維陣列的表面。在另一方面，具有一種利配置成測量速度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括相控陣換能器，該相控陣換能器包括多個換能器元件，其布置為形成單個的二維陣列，其中該換能器被配置為生成多個波束并接收這些波束的回聲。該系統(tǒng)進一步包括處理模塊，配置為至少部分基于這些回聲來計算粗略的速度估計值，以及從初步速度估計值中基本去除與第一速度相關(guān)的偏差。第一速度垂直于二維陣列的表面。在另一方面，具有一種構(gòu)造為測量速度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于生成多個波束并接收波束回聲的裝置，其中該裝置包括相控陣換能器，該相控陣換能器包括多個換能器元件，其布置為形成單個二維陣列。該系統(tǒng)進一步包括至少部分基于回聲計算初步速度估計值的裝置；以及用于從初步速度估計值基本去除與第一速度相關(guān)的偏差的裝置。第一速度與二維陣列的表面垂直。在另一方面，具有一種利用換能器測量流體介質(zhì)速度的方法。該方法包括發(fā)送聲信號，其中該聲信號包括N(其中N是整數(shù)并且N > I)個用于多個波束中每一個的脈沖信 號，從每個脈沖信號接收回聲，基于脈沖信號的回聲，獲得N個脈沖信號中每一個的速度估計值，以及基于N個速度估計值的總和計算速度，使得該速度中基本沒有由于波束之間的交叉耦合引起的誤差。在另一方面，具有一種構(gòu)造為測量速度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括換能器，用于發(fā)送聲信號和接收每個脈沖信號的回聲，其中聲信號包括N(N是整數(shù)并且N > I)個用于多個波束中每一個的脈沖信號。該系統(tǒng)進一步包括處理模塊，其構(gòu)造為基于脈沖信號的回聲獲得N個脈沖信號中每一個的速度估計值，并且基于N個速度估計值的總和計算速度以基本消除由于波束之間的交叉耦合引起的誤差。在另一方面，具有一種構(gòu)造為測量速度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于發(fā)送聲信號的裝置，其中該聲信號包括N(其中N是整數(shù)并且N > I)個用于多個波束中每一個的脈沖信號，用于從每個脈沖信號接收回聲的裝置，基于脈沖信號的回聲，獲得N個脈沖信號中每一個的速度估計值的裝置，以及基于N個速度估計值的總和計算速度的裝置，使得速度中基本沒有由于波束之間的交叉耦合弓丨起的誤差。


圖Ia是示例性水流剖面的散點圖，用于示出作為深度的函數(shù)描繪的東面的速度矢量，圖Ib是示例性水流剖面的散點圖，用于示出作為深度的函數(shù)描繪的北面的速度矢量;圖2是泊系在海底的水流剖面儀的一個示例的透視圖；圖3是用于說明由水流剖面儀的不同實施例發(fā)送的脈沖的脈沖圖示，該不同實施例包括脈沖不相干多普勒系統(tǒng)、脈沖相干多普勒系統(tǒng)、寬帶多普勒系統(tǒng)和編碼脈沖多普勒系統(tǒng)； 圖4a，4b，4c是幾組編碼脈沖的圖示，用于說明寬帶多普勒系統(tǒng)和編碼脈沖多普勒系統(tǒng)的示例性發(fā)射編碼；圖5是用于說明二維換能器陣列的一個實施例的框圖，其是圖2的水流剖面儀10的一個實施例的一部分；圖6a和6b說明了前述圖5的具有相移波束形成器的二維陣列的運行；圖7示出了圖6b的“Y軸發(fā)、射波束形成器”的詳細(xì)視圖，用于說明波束形成器如何同時發(fā)送兩個波束；圖8是透視圖，用于說明四個聲波波束的結(jié)構(gòu)示例，其中該四個聲波波束相對于陣列法線(即Z軸)傾斜，并位于與圖5的換能器陣列的陣列表面平面(即，X-Y平面)垂直的兩個平面內(nèi)；圖9說明了圖5的換能器陣列的一個實施例的頂視圖；圖10是用于說明多層結(jié)構(gòu)的圖5中換能器陣列的一個實施例的三維視圖；圖11是用于說明ADCP 10的一個實施例的功能框圖，其包括圖5的二維換能器陣列；圖12a和12b說明了測量速度中要發(fā)送的編碼序列的兩個示例的比較；、圖13a和13b在時域和頻域說明了編碼元素的兩個示例的比較；圖14a和14b分別說明了用于寬帶寬和窄帶寬速度估計值的要發(fā)射的信號的示例；圖15a和15b分別說明了寬帶寬和窄帶寬速度估計值以及模糊分辨率的過程；圖16是用于說明適于和相控陣換能器一起使用的速度處理方法的實施例的流程圖，其使用了寬帶寬發(fā)射以分辨在估計窄帶寬速度中的模糊；圖17是用于說明速度處理方法的一個示例的流程圖，其基本去除了由速度估計值的垂直分量引起的偏差；圖18a和18b說明了將接收的信號的相位函數(shù)外推至每個波束的標(biāo)稱滯后時間的操作；圖19說明了速度處理方法的一個實施例，其基本從速度估計值中去除了交叉耦合的旁瓣誤差；圖20a，20b和20c示出了可以用在速度處理方法中的編碼脈沖的三個示例；圖21是用于說明一組信號編碼的一個示例的表格，其中該一組信號編碼可以通過圖19的方法發(fā)射；圖22說明了與圖21中波束I的脈沖信號1-4相關(guān)的信號編碼的格式。圖23a和23b說明了一個方案的兩個示例，用以在連續(xù)的編碼序列之間生成90°
相位增量/減量。
具體實施例方式本發(fā)明的各種方面和特征將結(jié)合前述附圖，從下面的描述和后附的權(quán)利要求中變得更顯而易見。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記指示相同的或功能相似的元件。在下面的描述中，給出詳細(xì)的描述以提供對所公開的方法和裝置的完全理解。但是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，在沒有這些特定細(xì)節(jié)的情況下，也可以實施該公開的系統(tǒng)和方法。例如，以框圖的形式示出電氣元件是為了不讓非必要的細(xì)節(jié)掩蓋某些方面。在其它例子中，可以詳細(xì)地示出該組件、其它結(jié)構(gòu)和技術(shù)以進一步解釋某些方面。也應(yīng)當(dāng)注意，某些方面可以被描述為過程，其被描繪為程序框圖、流程圖、結(jié)構(gòu)圖或框圖。雖然程序框圖可以將操作描述為連續(xù)的過程，但是許多操作可以并行或同時執(zhí)行，并且該過程可能重復(fù)。另外，操作的順序可能重新安排。當(dāng)一個過程的操作完成時，該過程終止。一個過程對應(yīng)于一個方法、函數(shù)、程序、子例行程序、子程序等。當(dāng)一個過程對應(yīng)于一個函數(shù)時，其終止對應(yīng)于該函數(shù)返回至調(diào)用函數(shù)或主函數(shù)。該描述將針對水流剖面儀的情況給出，但是其他速度測量系統(tǒng)，例如多普勒速度計程儀，也都有這些一般特性。下述的速度處理方法的各種實施例可以應(yīng)用于水流剖面儀和其它速度測量應(yīng)用中。水流剖面圖Ia是示例性水流剖面的散點圖，用于示出描繪為深度函數(shù)的東面的速度矢量。圖Ib是示例性水流剖面的散點圖，用于示出描繪為深度函數(shù)的北面的速度矢量。圖Ia和Ib的散點圖中描述的示例性水流速度剖面是一種信息，其也是水流剖面儀的目標(biāo)。圖2是泊系在海底的水流剖面儀的一個示例的透視圖。水流剖面儀10是半永久泊系在海底12的。在該種剖面儀部署中，水流剖面的記錄典型地存儲在位于水流剖面儀10內(nèi)部的非易失性存儲器(未示出)中。 如圖2示出的水流剖面儀10生成一組從換能器發(fā)出的聲波波束14a、b、C、d。水流剖面儀10向上觀察，即聲波波束14垂直指向海洋表面。每個波束14 “照亮”一個水柱，其可以被分解為公知為距離或深度單元的水平切片，該單元例如由16指示的單元。通過恰當(dāng)發(fā)送和接收聲音脈沖，計算脈沖回聲之間的相移。然后，將相移逐步變換為多普勒頻率、沿著波束14的速度，然后是一個或多個正交的水流速度分量，例如由18a、b指示的。水流剖面儀10的換能器可以以各種方式實現(xiàn)。在一個實施例中，水流剖面儀10包括由四個分散的換能器組成的組件，其中該四個換能器圍繞電子外殼彼此間隔90°方位角。該換能器布置在技術(shù)上公知為Janus結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，水流剖面儀10包括二維換能器陣列，其將在圖5中詳細(xì)描述。該水流剖面儀10除圖2中示出的方式外還可以其它方式部署，例如包括在固定或移動的平臺上，或在表面、底部、或中等深度的停泊處，向下、向上或其它有角度觀察的各種組合。各種多普勒測量技術(shù)圖3是用于說明通過水流剖面儀的不同實施例發(fā)送的脈沖的脈沖圖示，該不同實施例包括脈沖不相干多普勒系統(tǒng)，脈沖相干多普勒系統(tǒng)，寬帶多普勒系統(tǒng)和編碼脈沖多普勒系統(tǒng)。圖3以示意性形式提供了多個在聲學(xué)多普勒水流剖面儀(ADCP)中使用的不同的多普勒測量技術(shù)。在第一種技術(shù)中，示出了脈沖不相干ADCP換能器20在時間t產(chǎn)生脈沖22。定制單個要發(fā)送的脈沖22的大小以符合相關(guān)的深度單元。在穿過深度單元后，在時間t加上與脈沖的長度(Lpulse)相等的時間處，示出了脈沖22，其移動至如24所指示的新位置。取決于每個深度上散射的密度，脈沖22可以在每個深度單元產(chǎn)生回聲(未示出)?；诎l(fā)送脈沖和接收理想的回聲之間的預(yù)定的滯后時間，在理想的深度單元測量水流速度。脈沖不相干ADCP通過測量返回的回聲頻率中的多普勒移動，來測量水流速度。每個脈沖的回聲獨立使用。從接收的信號的兩個不同采樣之間的差值，間接計算多普勒頻率。術(shù)語“不相干”是指在脈沖之間不必保持相干的事實。在圖3中，脈沖相干ADCP換能器26示出為發(fā)送脈沖28。脈沖28比脈沖不相干系統(tǒng)中的脈沖22的持續(xù)時間短(深度分辨率更強)。和脈沖不相干多普勒系統(tǒng)一樣，在發(fā)送下一個脈沖30之前，每個單個脈沖的回聲允許返回至換能器26。但是，和脈沖不相干系統(tǒng)不一樣，脈沖相干系統(tǒng)的基本測量值是在相同深度處的兩個連續(xù)回聲之間的相位變化。術(shù)語“相干”是指在脈沖之間需要保持相干的事實。在一些實施例中，脈沖相干ADCP發(fā)送一系列短脈沖，其中在發(fā)射的序列上保持相位相干。圖3也說明了由寬帶ADCP換能器32產(chǎn)生的脈沖。寬帶方法與脈沖不相干或脈沖相干方法的不同之處在于寬帶方法同時利用波束(或等價物)中的兩個(或多個)脈沖，例如34a和34b指示的脈沖。在圖3中，脈沖由等于脈沖間隔的滯后時間，LI分隔。在經(jīng)過一段距離，并且回聲返回至換能器32之后，利用 自相關(guān)函數(shù)測量相同距離處的脈沖回聲之間的相位變化。和脈沖相干的方法不同，寬帶水流剖面儀的最大剖面距離不限于脈沖重復(fù)間隔。脈沖長度，或?qū)挾?，典型地比深度單元尺寸短很多，這樣產(chǎn)生了大時間帶寬積(術(shù)語“寬帶”)。時間帶寬積是平均時間和脈沖帶寬的乘積。圖3進一步說明了由編碼脈沖寬帶ADCP產(chǎn)生的脈沖。換能器38產(chǎn)生脈沖40a、b，其通過水來傳播，例如由后來的脈沖41a、b示出。每個脈沖40包括四個大小相等的編碼元素42a、b、C、d，每一個編碼元素包括一個或多個要發(fā)送的聲波波形的周期(或周期的一部分)。編碼元素42代表相位編碼，使得每個元素要么是0度相位要么是180度相位。雖然在圖3中僅示出了兩個編碼脈沖，但是該方法可以推廣到包括多于兩個的脈沖。對于編碼脈沖ADCP來說，相位變化的測量與之前討論的寬帶方法的測量相同。但是，另外，偽隨機相位編碼適用于允許使用更長的脈沖而不會降低帶寬的脈沖。更長的脈沖增加回聲功率，這樣延遲了與更大距離解相關(guān)的信號，并延長了系統(tǒng)的有用的剖面距離。該編碼脈沖可以和深度單元的尺寸一樣大。如果脈沖分隔或滯后時間LI等于脈沖長度，那么脈沖就組合為一個單個的連續(xù)的編碼發(fā)送。圖4示出了具有不同長度的“理想的”編碼脈沖的三個示例，其中該編碼脈沖由編碼脈沖寬帶ADCP產(chǎn)生。每個圖(圖4a、b、c)對應(yīng)于一個脈沖，或脈沖信號。由于換能器和功率放大器的有限帶寬，因此注入水中的實際波形與圖4中描繪的稍有不同。因此，在對應(yīng)的實際波形中，在相位反向后有很短的恢復(fù)時間。圖4a包括通常由44a_j指示的一系列編碼元素的三個不同的表示。第一個編碼表示是通常由46指示的發(fā)送波形。每個編碼元素44是載波信號的四個周期的集合。180度相移可能出現(xiàn)在編碼元素44之間，例如，由編碼元素44a和44b之間的跳變示出。圖4a的示例性脈沖具有M= 10個編碼元素44，其中首先的五個編碼元素44a-e反向并由最后的五個編碼元素44f-j重復(fù)，以實質(zhì)上將兩個脈沖組合為連續(xù)的波形46。將第二個脈沖例如編碼兀素44f-j反向?qū)τ跍p少噪聲偏差是有用的。這樣，對于波形46來說，在利用滯后時間反向之后，在首先的五個元素44a_e和最后的五個元素44f-j上執(zhí)行自相關(guān)函數(shù)(將在下面進一步討論)，其中滯后時間等于發(fā)送五個編碼元素的時間。在某些情況下，特殊應(yīng)用中編碼元素的數(shù)量將與深度單元的大小匹配。脈沖編碼也可以以二進制形式表示，其由通常由圖4a中47指示的編碼序列示出。編碼序列47以由兩比特限定的每個編碼元素44為基礎(chǔ)。最高有效位(BI)指示在編碼元素44的持續(xù)時間中發(fā)送器是開(I)還是關(guān)(0)。最低有效位(BO)指示編碼元素44的相位，“0”指示0°，“I”指示180°。當(dāng)BI是值“0”時，BO的值是什么沒關(guān)系。編碼序列47示出了二進制編碼的十進制等價形式。例如，編碼元素44a，在編碼序列47中定義為“2”，意思是發(fā)送器為開，編碼元素44a是0度相位。相位波形48提供了和發(fā)送波形46以及編碼序列47相同的基本信息，但是它以方波的形式表達(dá)。圖4b示出了編碼脈沖，其與圖4a的不同在于脈沖為兩倍長(M = 20)。圖4b中首先的十個編碼元素44與圖4a中的編碼元素44相同。最后十個編碼元素44’是首先的十個的重復(fù)。這樣，兩個脈沖44，44’組合為一個單個的發(fā)送波形，其具有和發(fā)射十個編碼元素相等時間的滯后時間。圖4c示出了編碼脈沖，其與圖4b的不同在于脈沖更長(M = 30)，這是由于在兩組十個要發(fā)送的編碼元素44、44’之間放置了十個編碼元素的死區(qū)。這樣，滯后時間等于二十個編碼元素。多普勒頻率中的短期誤差(即方差)與脈沖間隔成反比。距離分辨率由編碼脈沖的長度確定。在一些實施例中，認(rèn)真選擇編碼，以從自相關(guān)函數(shù)中的中心峰值和旁瓣噪聲中消除偏差。通過將第二個脈沖，例如如4a所示，倒轉(zhuǎn)為要發(fā)送的脈沖信號的一半，那么中心峰 值噪聲被有效消除。采取下述步驟來消除旁瓣噪聲(I)使用在一個滯后時間與側(cè)峰的每側(cè)自相關(guān)為零(在這里進行相位測量)的編碼，(2)使用在側(cè)峰附近具有最小旁瓣的編碼，其中該旁瓣圍繞側(cè)峰對稱布置，以及(3)成對互補，或者Golay，在連續(xù)的脈沖信號上使用編碼使得偏差通過平均抵消。脈沖間隔、或者滯后時間LI，確定了距離-速度分辨率的精度，其中滯后時間越短意味著分辨率越大。甚至可以通過發(fā)送在一個或多個編碼元素中重疊的脈沖，使得滯后時間小于單個編碼脈沖的長度。例如，利用字母表中的字母代表編碼元素，那么序列“ABABA”將允許兩個脈沖“ABA”，其中該兩個脈沖具有要發(fā)送的三個編碼元素的長度，且其滯后時間等于發(fā)送兩個編碼元素的時間。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解并理解，在選擇恰當(dāng)?shù)木幋a，編碼長度和多脈沖波形的脈沖分隔時需要平衡，這些取決于本發(fā)明的特殊應(yīng)用。下文中，如無其它指示，寬帶ADCP和編碼脈沖寬帶ADCP系統(tǒng)和方法將統(tǒng)稱為寬帶ADCP。相控陣換能器的結(jié)構(gòu)和操作圖5是用于說明二維換能器陣列的一個實施例的框圖，其是圖2的水流剖面儀的一個實施例的一部分。描述了一種典型的平面聲波換能器的陣列的結(jié)構(gòu)100。單獨的陣列元件102沿著前側(cè)的列104和后側(cè)的行106電互聯(lián)。陣列元件102通過兩軸發(fā)送/接收(T/R)開關(guān)118互聯(lián)至相關(guān)的波束形成器108、110。發(fā)送108和接收110波束形成器可以是相位或時間延遲波束形成網(wǎng)絡(luò)。在示例性實施例中，波束形成器是相位波束形成網(wǎng)絡(luò)。用于該描述的坐標(biāo)系統(tǒng)如下述所示，行106在X軸上走向，列104在Y軸上走向，以及Z軸與平面116垂直。陣列表面116是圓形的，但是其它形式的因數(shù)，例如通常兩面維度對稱的橢圓或多邊形也適用于形成一般圓錐形式的窄的傾斜的波束。該陣列由大量的小元件102組成，其中該小元件具有對稱的面，典型的為方形、圓形、或者矩形(即它們的表面橫斷面)。在一個實施例中，每個元件的表面寬度近似為0. 5 X，其中\(zhòng)是理想的中心頻率在水中的聲波波長。為了形成4°波束寬的波束，需要近似16 X的陣列直徑，需由近似800個元件的32X32元件陣列組成。陣列元件的后側(cè)的行106 (X方向)和前側(cè)的列104(Y方向)沿著元件的平行線用很薄的透聲材料電連接在一起，如圖5所示，其中該元件具有。行和列通常而非必須是正交的。
陣列X軸的行106和Y軸的列104中的每一個都連接至T/R開關(guān)118，其在接收方式中將X和Y組線路電連接至各個X和Y接收波束形成器110，并在發(fā)送模式中電連接至X和Y發(fā)送波束形成器108。在一些實施例中，T/R開關(guān)118由T/R邏輯信號120控制以在發(fā)送和接收模式之間切換。在其它實施例中，T/R開關(guān)包括無源組件，其通過檢測發(fā)射信號是否由發(fā)射波束形成器108施加來操作。如果檢測到發(fā)射信號，那么T/R開關(guān)切換至發(fā)射模式，如果未檢測到發(fā)射信號，那么切換至接收模式。當(dāng)在發(fā)射模式時，陣列線路通過T/R開關(guān)118連接至發(fā)送波束形成器108，該發(fā)射波束形成器提供來自低阻抗電源的電發(fā)射驅(qū)動信號(相對于換能器元件的線路的電阻抗)。當(dāng)在接收模式時，陣列線路通過T/R開關(guān)連接至接收波束形成器110，該接收波束形成器接收來自換能器線路的電信號。每條X和Y線路上的低電源/負(fù)載阻抗(在發(fā)射期間低電源阻抗)允許同時和獨 立訪問每個X行106和Y列104，以將發(fā)送的電驅(qū)動信號應(yīng)用于每個X行和Y列。并且，X和Y軸線路陣列的并行組可以同時和獨立形成。通過沿著后側(cè)的行106的并行電連接和在所有前側(cè)的Y軸列104上提供低阻抗大地信號來形成X軸發(fā)射和接收線路陣列。在發(fā)射模式期間，通過T/R開關(guān)，將發(fā)射驅(qū)動信號從發(fā)射放大器施加于并行的X軸后側(cè)的電互聯(lián)線路，其中該發(fā)射放大器相對于信號大地具有低的輸出阻抗。當(dāng)X軸驅(qū)動信號施加于獨立的X軸線路陣列時，整個Y軸32并行線路陣列表面保持為至信號大地的低阻抗路徑(經(jīng)由該信號路徑穿過Y軸T/R開關(guān)118a達(dá)到Y(jié)波束形成器108a的低阻抗Y軸驅(qū)動器)，以確保X軸驅(qū)動信號僅跨X軸的行施加，而不耦合至陣列的Y軸側(cè)。類似地，當(dāng)Y軸驅(qū)動信號施加于Y軸線路陣列時，整個X軸陣列表面保持為至信號大地的低阻抗路徑，以允許信號獨立地施加于Y軸，而不耦合至X軸。這樣，通過疊加X和Y軸發(fā)射驅(qū)動信號，與發(fā)射波束形成器源相關(guān)的低阻抗允許X和Y軸線路發(fā)射陣列同時地獨立地形成。在接收模式期間，在每個X軸行106上存在電信號代表每行所有元件接收的電信號的總和。當(dāng)從一列接收信號時，該列信號獨立于同時接收的行信號。類似地，當(dāng)從行接收信號時，該行信號獨立于同時接收的列信號。在發(fā)送和接收模式期間，經(jīng)由X和Y信號線路獨立和同時的X行和Y列的電訪問允許陣列用作二維陣列，以同時和獨立地在X-Z和Y-Z平面中形成多個傾斜的聲波波束組。每個平面中的波束形成操作與傳統(tǒng)的一維相控和/或時間延遲陣列相同。這樣，二維波束形成操作通常等價于兩個重疊的一維陣列，其中一個陣列旋轉(zhuǎn)90°。在發(fā)射模式操作期間，施加于X行的相位或時間延遲信號在Y方向(Y-Z平面)形成傾斜的聲波發(fā)射波束。同時和獨立地，施加于Y列的相位或時間延遲信號在X方向(X-Z平面)產(chǎn)生傾斜的聲波發(fā)射波束。在接收模式操作期間，在X行接收的電信號是相位或時間延遲的，其在X行接收器波束形成器中被組合，以在Y方向產(chǎn)生傾斜的接收聲波波束。同時和獨立地，在Y列接收和在Y側(cè)波束形成器中被組合的信號在X方向產(chǎn)生傾斜的接收聲波波束。這樣，通過疊加X和Y軸電和聲信號，實現(xiàn)了在發(fā)送和接收模式中從單個的平面陣列中形成二維聲波波束。圖6a和6b說明了圖5中前述的具有相移波束形成器的二維陣列的操作。為了理解這些二維發(fā)送和接收聲波波束如何形成的操作的基本原理，我們考慮32X32元件二維陣列換能器的16個元件陣列子集的操作。
在單一頻率(窄帶)，f，且波長為\ = c/f處接收長猝發(fā)音，其中c是聲音在流體介質(zhì)中的傳播速度，引入的沿X方向，且與Z軸(Z與陣列平面正交，或者與圖的平面正交)成角0 202前進的聲音射線波陣面200前進至與Y軸(前側(cè))的列線路陣列204中的每一個成不同距離，這樣，在不同時間，并且通常以不同相位穿過線路陣列中的每一個。如圖6a所說明的，相鄰的線路陣列(a )206之間的路徑長度差通過如下方程與元件的中心到中心的分隔距離(d)相關(guān)a = dsin 0方程 2相鄰線路陣列之間的波陣面到達(dá)時間差(T )是T = a /c = (d/c) sin 0方程 3如果元件間隔的距離對應(yīng)于，例如到達(dá)的窄帶信號的二分之一波長(d =入/2)，
那么以到達(dá)的信號波長來表達(dá)的路徑長度差為a = (A /2) sin 0方程 4對于例如30°的到達(dá)角來說，a =(入/2) sin 30=入/4方程 5這對應(yīng)于到達(dá)的窄帶信號的元件間的90°角相移。這樣，當(dāng)窄帶脈沖由所有Y軸線路陣列接收時，沿著由四個Y軸線路陣列組成的組所接收的電信號的相位分別是0、90、180和270度，其中如前所述，后側(cè)耦合至低阻抗虛擬大地208。首先考慮前側(cè)(Y)的列的接收操作，其中后側(cè)的行106全部耦合至X軸接收波束形成器IlOb中的地信號。每組四個X軸電信號(在用于說明的4X4陣列中)連接至接收波束形成器IlOa的接收預(yù)放大器中的虛擬地節(jié)點208以形成后側(cè)的行的參考信號，并且在相連的線路陣列之間移相-90° (0、-90、-180、和-270度)，如圖所示。施加的相移用于補償窄帶聲波脈沖中不同的元件間的路徑長度的相移，其與線路陣列相關(guān)聯(lián)，如圖6a所說明的。最終得到的四個信號210將同相，當(dāng)其被求和時，將會當(dāng)接收在30°入射角到達(dá)的波陣面時形成最大聲波干擾圖案。該最大值對應(yīng)于形成的波束的一個主瓣的中心軸?？梢酝ㄟ^將在四個信號上施加相移的90°符號反向并將這些信號求和，而形成第二個接收波束，用于引入的在-X方向前進并與Z方向成角0 (例如，在-30°入射角)的聲音射線波陣面。由于四個信號的相位組對于附加的由四個線路陣列組成的組來說是重復(fù)的，因此，可以通過將所有四個線路陣列組成的組的信號求和實現(xiàn)更大的陣列，以進一步增強±30°處的干擾圖案。當(dāng)如上所述，利用附加的由四個線路陣列段組成的組時，沿著±30°方向的聲波信號增益增加，或者相應(yīng)地，當(dāng)增加附加的陣列組時，該方向上的波束寬度減小。另一波束形成的方法是首先將來自不同陣列組的所有等相位的信號求和，然后在求和的四個信號組成的組中應(yīng)用施加的90°相移。這可以通過將每個第四個線路陣列簡單的并行電連接來實現(xiàn)。通過陣列中線路陣列組的數(shù)量，來確定X方向上有效的波束寬度。在Y方向，通過線路陣列的波束圖案確定波束寬度，其與陣列線路的長度(聲波波長)成反t匕。在一些實施例中，兩個平面上的具有類似寬度的窄的傾斜聲波波束是理想的，X和Y平面大小保持相同。在發(fā)射模式期間，兩軸陣列的操作與上述接收模式類似，除了信號流反向，如圖6b所說明的。首先考慮前側(cè)的列的發(fā)送操作，其中后側(cè)的行全部耦合至地信號。長猝發(fā)音載波頻率300施加于相移發(fā)射波束形成器108a，產(chǎn)生具有0、90、180和270度相對相位的四個驅(qū)動信號。這些信號從低阻抗驅(qū)動器施加于Y列的四個并行的電線組302。該施加的相移將補償從線路陣列之間不同的路徑長度引起的相移，并將在-30°入射角處形成發(fā)射的聲波信號干擾圖樣，其對應(yīng)于一個主波束瓣的中心。如前所述，通過將施加相移的90°的符號反向，則可以在-30°的入射角處形成另一發(fā)射波束。在Y軸接收和發(fā)送操作是相同的。當(dāng)考慮從后側(cè)的行施加和接收的信號時，前側(cè)的列通過低阻抗耦合至地信號。在每側(cè)存在至地的低發(fā)送驅(qū)動負(fù)載阻抗會產(chǎn)生完全獨立的X和Y軸操作。從X和Y軸信號疊加來看，也可以看出兩個軸(即，行和列)可以同時操作。圖7示出了圖6b的“Y軸發(fā)射波束形成器”的詳細(xì)視圖，用于說明波束形成器如何同時發(fā)射兩個波束。圖7的發(fā)射波束形成器包括兩個至波束形成器的兩個額外的輸入(除了發(fā)射信號之外)，該輸入分別控制時間和空間相移。正如所說明的，這些相移施加于發(fā)射信號以產(chǎn)生四個不同的驅(qū)動信號?？臻g相移控制信號控制變換器的兩個開關(guān)。每個開關(guān)可以位于兩個設(shè)定中的一個0°或180°。在示例性實施例中，不使用空間相移控制信號，兩個開關(guān)位于“0° ”設(shè)定。時間相移控制信號構(gòu)造為控制左波束、右波束、還是在一個平面上生成的兩個波束。左波束是指在-X方向，且與Z方向成一角度前進的波束。右波束是指在X方向，且與Z方向成一角度前進的波束。兩個開關(guān)由時間相移控制信號控制以切換至三個設(shè)定中的一個?？梢酝ㄟ^控制圖6B中說明的四個驅(qū)動信號的相移，來產(chǎn)生左波束或右波束。通過疊加，波束形成器可以通過將產(chǎn)生每個波束所需的驅(qū)動信號相加在一起，同時產(chǎn)生兩個波束。圖7頂部的表格說明了產(chǎn)生左波束、右波束、以及兩個波束的四個驅(qū)動信號。每個驅(qū)動信號由矢量代表。用以產(chǎn)生左和右波束的四個驅(qū)動信號中每一個的矢量是用于產(chǎn)生每個波束的驅(qū)動信號的矢量和。例如，在第一列中，用于產(chǎn)生左波束，右波束，和兩個波束的驅(qū)動信號分別是具有單位幅值和315°相位的矢量，具有單位幅值和45°相位的矢量，具有幅值和0°相位的矢量。類似地，可以采用圖6a中的接收波束形成器，以同時接收兩個波束。利用固定相位延遲以形成窄發(fā)送和接收波束的上述兩軸波束形成技術(shù)是指“二維相控陣”換能器。它可以用于窄帶應(yīng)用中，該應(yīng)用發(fā)送基本為單一頻率或窄帶寬的長猝發(fā)音。從一個單個的平面陣列孔形成在X-Z (波束3和4)和Y-Z平面(波束I和2)上定位且均相對于Z方向成一角度的四個傾斜的窄波束，如圖8所示。在其它實施例中，在寬帶應(yīng)用中使用相控陣換能器。從圖6a的聲音射線圖看出，對于固定元件間隔d來說，每個波束的角度通過如下方程與聲波頻率相關(guān)9 = sin-1 ( A /4d) = sin-1 (c/4fd)方程 6這樣，波束角是頻率依賴型的，如果進入的或出去的波具有很寬的頻譜，那么主瓣波束圖案將相應(yīng)地在角域被加寬。由于該帶寬引起的波束擴散，相控陣技術(shù)既不能和寬帶ADCP 一起起作用，也不能和窄帶應(yīng)用一起起作用，其中寬帶ADCP發(fā)射具有很寬頻譜(典型地20-50 %的載波頻率)的信號。從前述可以理解，可以包括某些具有創(chuàng)造性的方面，以產(chǎn)生具有不同載波頻率、波束特性和信號帶寬能力的兩軸傾斜波束的許多組合。圖9說明了圖5的換能器陣列的一個實施例的頂視圖。該示例性實施例構(gòu)造為在兩軸中的每一個上150kHz載波頻率處產(chǎn)生兩個窄波束寬的波束，用于ADCP的應(yīng)用中。該示例性實施例包括圓形換能器陣列和兩個基本相同的波束形成網(wǎng)絡(luò)，每個波束形成網(wǎng)絡(luò)提供用于形成兩個傾斜的發(fā)射/接收波束的驅(qū)動信號。例如，陣列的直徑D 600近似為160mm。具有緊密間隔的800個獨立的方形面的150kHz壓電陶瓷元件102，它們中心至中心的距離604為5mm(在150kHz處為大約1/2波長,基于大約為1536m/s的傳播速度)。該示例性實施例可以被修改以符合應(yīng)用的特定要求。圖10是圖5換能器陣列的一個實施例的三維視圖，用于說明多層結(jié)構(gòu)。在該視圖中，該厚度尺寸被放大以示出層疊的結(jié)構(gòu)。陶瓷陣列元件700，例如圖9中示出的800個元件102，通過陶瓷頂表面和底表面上兩個很薄的透聲柔性印刷電路(FPC) 702、704電性和機 械連接。該電路可以用KaptonTM(聚酰亞胺)或其他恰當(dāng)?shù)牟牧现圃臁＠?，通過將印刷電導(dǎo)線裝配和粘合(或者作為替換，低溫焊接)至陣列元件的導(dǎo)電表面，而實現(xiàn)電連接至每個陶瓷元件700。粘合可以利用恰當(dāng)?shù)恼澈蟿┗蚰z水完成，雖然其它形式的粘合也適用。連接方式是沿著前側(cè)的元件列和沿著后側(cè)的行，并進入一側(cè)的列(Y電線705)和另一側(cè)的行(X電線707)。一個具有與陶瓷匹配的表面尺寸的玻璃纖維材料706，例如厚1/8英寸(3. 18mm)(例如具有商標(biāo)“G-10”或其他類似的材料)粘合至每個150kHz換能器陣列上的頂部柔性電路的前端。該玻璃纖維(G-10或等價物)片是聲學(xué)四分之一波變換器，用于提高陣列和水之間的阻抗耦合，并顯著增加換能器元件的帶寬。在某些實施例中，換能器帶寬的顯著增加對于寬帶ADCP應(yīng)用來說是理想的。粘合至玻璃纖維片前端的氨基甲酸酯層708將表面密封至前面的水中。填充了氣體的紙板層710放置在外殼712的后平面和底部柔性電路的背面之間以反射向后發(fā)送的聲波能量，并提供必要的機械支撐，以抵抗換能器陣列表面714的前端的水壓。可以理解，取決于特殊的應(yīng)用，可以使用其它前和后匹配層。利用相控陣換能器的示例件ADCP圖11是用于說明ADCP 10的一個實施例的功能框圖，其包括圖5的二維換能器陣列。該電子器件可以在功能上分割為接收聲信號的前端換能器組件160，和電子組件162，該電子組件用于調(diào)整發(fā)送和接收，以及執(zhí)行信號處理。如參照圖15所討論的，陣列的X軸上的行106和Y軸上的列104中每一個都連接至T/R開關(guān)118，該開關(guān)在接收模式，將X和Y線路組電連接至各個X和Y接收波束形成器110，在發(fā)射模式連接至X和Y發(fā)送波束形成器108。在發(fā)射模式，由數(shù)字信號處理器196將編碼脈沖發(fā)送初始化。該數(shù)字信號處理器可以是數(shù)字信號處理器，或任何其它恰當(dāng)?shù)男盘柼幚黼娐?，包括任何通用單芯片或多芯片微處理器，例如ARM, Pentium , Pentium II ,Pentium III , Pentium IV , Pentium Pro , 805 I , MIPS , Power PC ,ALPHA ,或者任何專用微處理器，例如微控制器和可編程門陣列。在一些實施例中，數(shù)字信號處理器196可以構(gòu)造為執(zhí)行一個或多個軟件模塊。一組用戶指定的參數(shù)，包括每個編碼元素的周期數(shù)和編碼長度，都存儲在數(shù)字信號處理器196的ROM中。數(shù)字信號處理器196通過數(shù)字總線168將波形特定參數(shù)傳送至定時發(fā)生器170。在數(shù)字信號處理器196的控制下，定時發(fā)生器170控制編碼發(fā)送器172以產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)木幋a脈沖對，包括死區(qū)。編碼脈沖通過功率放大器174放大，并最終作為編碼的聲波波形通過換能器陣列100 (參見圖5)發(fā)射至水中。在一些用戶指定的消隱間隔期間，當(dāng)不發(fā)送脈沖時，從換能器陣列100接收的回聲脈沖從T/R開關(guān)電路118a和118b送至一組接收波束形成器I IOa和110b，如參照圖5所討論的。在一個實施例中，接收放大器180每個都包括Signetics SA604A半導(dǎo)體芯片。雖然設(shè)計用于中間頻率轉(zhuǎn)換應(yīng)用，但是SA604A芯片的兩個放大器偶爾在水流剖面儀的期望頻率范圍上操作。放大器串聯(lián)連接至波束形成器IlOa和IlOb的輸出端?；芈暤男盘枏姸纫部梢酝ㄟ^接收放大器180，例如從管腳5，SA604A芯片的RSSI輸出端，被系統(tǒng)獲得。在一個實施例中，信號強度被數(shù)字化和記錄以用于后續(xù)的處理。在用于測量反向散射強度、粒子濃度和粒子通量時，可以校準(zhǔn)信號強度信號。例如，該種測量的一種應(yīng)用是在捕撈操作中，其中信號強度用于確定泥沙濃度和由通過傾倒 廢石堆產(chǎn)生的煙柱中的垂直通量。接收放大器180的輸出信號送至一組同相混頻器182a、b、c、d和一組正交混頻器183a、b、c、d中?；祛l器182、183形成接收信號和載波信號的乘積。更特別地，混頻器182、183用于使接收信號外差，以將載波信號譯成DC信號(其中載波信號包括同相[余弦]和正交[正弦]信號，統(tǒng)稱為正交信號)。在示例性實施例中，混頻器182、183由兩個74HC4053三倍雙通道模擬多路復(fù)用器/信號分離器芯片實現(xiàn)，例如由Signetics提供的芯片?；祛l器182、183從正交產(chǎn)生器184接收正交信號。在一個實施例中，正交產(chǎn)生器184包括一對串聯(lián)連接的D觸發(fā)器(未示出)。第二個觸發(fā)器的反向輸出端Q’回饋至第一個觸發(fā)器的輸入端D。在操作中，正交產(chǎn)生器184從定時發(fā)生器170接收振蕩信號。振蕩信號送入兩個D觸發(fā)器的時鐘輸入端。這樣，從第二個觸發(fā)器的反向輸出端Q’采樣同相信號，從第一個觸發(fā)器的非反向輸出端Q采樣正交信號。然后，將正交信號從正交發(fā)生器184送至混頻器182、183?；祛l器182、183將它們各自放大的正交信號送至一組可編程低通濾波器188a、b、c、d和189a、b、c、d。低通濾波器188由控制器192編程以通過旁帶頻率，例如，上至20%的載波頻率，其與編碼脈沖的相位調(diào)制對應(yīng)。來自低通濾波器188、189(標(biāo)記為余弦和正弦通道)的濾波后的正交信號輸出送入采樣模塊194中?？刂破?92和定時發(fā)生器170控制采樣模塊194的功能。由定時發(fā)生器170在已經(jīng)發(fā)送編碼序列的最后一個元素之后將接收周期初始化。在用戶可編程的延遲，以允許換能器組件160中接收電子器件恢復(fù)之后，定時發(fā)生器170產(chǎn)生采樣選通脈沖鏈，用于觸發(fā)采樣模塊194中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這樣，每個采樣比特對應(yīng)于換能器陣列100接收的四個波形之一的一個正交分量的一個采樣。該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過數(shù)字總線168發(fā)送至數(shù)字信號處理器(DSP)196。在示例性實施例中，數(shù)字總線168是自定義的，異步總線，其具有16條數(shù)據(jù)線(BD0-BD15)和12個地址線(BA1-BA12)。在一些實施例中，數(shù)字總線168可以在上至每字符400ns的速度下傳送數(shù)據(jù)。在一些實施例中，采樣模塊194包括多比特模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其構(gòu)造為采樣四個波形中的每個正交分量，而不是之前討論的單個比特采樣。這樣近似線性采樣這些波形。DSP 196在與第一脈沖的編碼元素數(shù)對應(yīng)的預(yù)定滯后時間處計算接收的信號的自相關(guān)函數(shù)(R(h))。自相關(guān)函數(shù)用于測量在時間t接收的波形和延遲滯后時間接收的波形的相關(guān)性。在示例性實施例中，接收的信號是一系列采樣。因此，R(h)用于測量該系列的采樣和延遲h(由整數(shù)個采樣數(shù)代表的預(yù)定滯后時間)后采樣系列的相關(guān)性。為了計算該函數(shù)，DSP 196通過采樣模塊194向四個余弦-正弦對輸出中的每一個獨立應(yīng)用下述方程

方程 7

其中h是由整數(shù)個采樣數(shù)代表的預(yù)定滯后時間； j是在感興趣的深度單元內(nèi)的整數(shù)個采樣數(shù)；余弦和正弦是從余弦和正弦通道(例如從圖11中的低通濾波器188、189)采樣的數(shù)據(jù)i = (-1)1/2 ；Sj = cosj+siriji ;以及S*表示S的共軛復(fù)數(shù)。在示例性實施例中，為了速度已經(jīng)犧牲了分辨率，并且每個采樣值由一個比特代表。但是，可以示出，利用該方法僅損失了余弦-正弦信息中一半可用的信息。這樣，DSP 196可以通過將經(jīng)由采樣模塊194從余弦-正弦通道接收的兩個16比特的數(shù)據(jù)字符異或，來執(zhí)行快速乘法。數(shù)字表示(0，1)被DSP 196解釋為(_1，+1)。一旦執(zhí)行乘法，則可以利用存儲在EPROM中的查詢表完成積的求和。在示例性實施例中，DSP 196使用Texas Instruments TMS320vc3332比特，數(shù)字信號處理芯片。一旦獲得每個自相關(guān)結(jié)果的復(fù)數(shù)表示，則DSP 196計算多普勒頻率fD。對于線性系統(tǒng)來說，可以按照下述計算 方程 8

其中fD是回聲的多普勒頻率；I是復(fù)數(shù)的虛部；R是復(fù)數(shù)的實部；h是用于計算自相關(guān)的滯后時間；以及T是采樣之間的時間。對于硬極限系統(tǒng)來說，例如這里描述和示出的一個，那么數(shù)字信號處理器196利用下述多普勒頻率方程

另外，數(shù)字信號處理器196通過在零滯后時間用自相關(guān)除每一個，來使用方程9中I和R的歸一化的值，即使用歸一化的自相關(guān)函數(shù)。注意，對于線性系統(tǒng)來說，在除法I/R中消除了歸一化的步驟，因此其不是必須的。在一個替換實施例中，數(shù)字信號處理器196基于方程I計算垂直速度分量，然后將這些速度轉(zhuǎn)換為對地參考值，例如，減去由芯片產(chǎn)生的速度分量。在另一實施例中，多普勒頻率和/或其它中間計算可以經(jīng)由I/o端口 156送至運輸船只。I/O端口 156構(gòu)造為連接至用于測量的發(fā)送電纜(未示出)，其中實時后處理水流剖面儀是理想的。在水流剖面儀電子器件的另一實施例中，多普勒頻率的結(jié)果存儲在記錄介質(zhì)中，例如EEPROM或在數(shù)字總線168上增加的閃存非易失。在一些實施例中，DSP 196為每個波束形成器進一步產(chǎn)生時間相移控制信號(參見圖7)。在一些實施例中，定時發(fā)生器170還為每個波束形成器進一步生成空間相移控制信號(參見圖7)。模糊分辨率上述的寬帶速度處理方法在和相控陣換能器一起使用時，可能會遭受帶寬缺失，這是由相控陣換能器中波束形成器的較窄帶寬和用于寬帶信號的陣列的波束傳播引起的。、需要在多個設(shè)計選擇中做出平衡以符合特殊應(yīng)用的要求。這些設(shè)計選擇包括最大運行速度，短期噪聲，以及零速度性能，也稱為位置保持性能。短期噪聲是指由于在時間上最終達(dá)到平衡的隨機效應(yīng)，而引起的速度方差。位置保持性能是處于靜止時的測量精度。由于最大運行速度和速度處理算法中的短期噪聲的平衡是必須的，那么相控陣速度處理被限制至較低的速度運行或較高的短期噪聲，并且當(dāng)處于靜止時，可能是非零輸出。如下所述，某些實施例利用寬帶寬發(fā)送以分辨窄帶寬速度估計值中的模糊，從而設(shè)置分辨率。應(yīng)當(dāng)注意，“寬帶寬”和“窄帶寬”用于指示“寬帶寬”基本具有比“窄帶寬”更多的頻率分量或者更寬頻譜的頻率分量。圖12a和12b說明了在測量速度中要發(fā)送的編碼序列的兩個示例的比較。兩個編碼序列802具有7個大小相等(即相同長度)的編碼元素804，其中每個編碼元素具有一個或多個要發(fā)送的聲波波形的周期(或部分)。在一些實施例中，每個編碼元素是相同的，除了編碼元素的相位不同。每個編碼元素804的帶寬與每個編碼元素的長度或每個編碼元素的載波周期數(shù)成反比，如圖13a和13b所說明的。在一些實施例中，編碼元素代表相位編碼，使得每個元素是0(由“I”指示)或180 (由“-I”指示)度相位。相位編碼(例如，偽隨機相位編碼)施加于編碼元素，使得包括可變數(shù)量個編碼元素的編碼序列具有和每個編碼元素相同的帶寬。圖12a中的編碼序列和圖12b中的編碼序列是相同的，除了圖12a中的每個編碼元素的長度是圖12b中每個編碼元素的長度的兩倍。因此，圖12a中脈沖與圖12b中的脈沖的帶寬比是2比I。圖13a和13b說明了時域和頻域中編碼元素的兩個示例的比較。左側(cè)的圖是編碼元素的時域表示，而右側(cè)的圖是編碼元素的頻域表示。正如所說明的，圖13a和圖13b中的編碼元素分別包括8個和16個載波周期。因此，圖13a的編碼元素具有的帶寬(大約是12%的載波頻率)是圖13b中編碼元素帶寬(大約是6%的載波頻率)的二倍。圖14a、14b、15a和15b說明了速度處理方法的一個實施例的操作，其中該方法使用了寬帶寬發(fā)射以分辨窄帶寬速度估計值中的模糊。圖14a和14b分別說明了為寬帶寬和窄帶寬速度估計值要發(fā)送的信號的示例。圖15a和15b分別說明了寬帶寬和窄帶寬速度估計值以及模糊分辨率的過程。圖14a是在寬帶寬速度處理和接收的回聲信號期間，要發(fā)射的信號，即脈沖信號的二維圖形。垂直軸代表信號的幅值(或功率)，而水平軸代表時間。在示例性實施例中，要發(fā)送的信號810(也稱為脈沖或脈沖信號)包括三個編碼序列812，所有編碼序列是相同的(不同的陰影僅用于識別三個編碼序列)。每個編碼序列812具有長度TL，S，并包括一個或多個等尺寸的編碼元素(未示出)。恰當(dāng)?shù)南辔痪幋a(例如，偽隨機相位編碼)施加于每個編碼序列812的編碼元素，使得編碼序列和編碼元素具有相同的帶寬。類似地，包括三個連續(xù)編碼序列812的發(fā)送信號810具有和編碼元素相同的帶寬。這樣，發(fā)送的信號810的帶寬與每個編碼元素的長度成反比，其中發(fā)送的信號810的所有編碼元素具有相同的長度。在發(fā)射信號之后，接收回聲信號814，并且距離選通正交信號(參照圖11所述)。對于距離換能器的距離為R的深度單元來說，發(fā)送信號和開始接收回聲信號之間的時間近似為所說明的2R/c，其中c是聲音在水中的速度。接收的回聲放置在由“距離選通”正交信號限定的存儲接收器中，即在時間tn接收的回聲來自位于距離R = ctn/2的散射器。選通信號的寬度與發(fā)送的信號810相匹配，其是3*TUS。計算距離選通的信號和延遲了處理滯后時間的距離選通信號之間的相位變化。然后基于相位變化估計速度。
在示例性實施例中，需要設(shè)計發(fā)射的信號810使得其帶寬基本大于相控陣波束形成器的標(biāo)稱帶寬。例如，脈沖信號的帶寬可以是相控陣波束形成器的標(biāo)稱帶寬的二倍。波束形成器的標(biāo)稱帶寬是這樣的帶寬，即超過該帶寬，將會出現(xiàn)不可接受的相位和增益上的誤差，導(dǎo)致長期和短期不準(zhǔn)確。在示例性實施例中，標(biāo)稱帶寬近似是6%的載波頻率。通過改變發(fā)送的信號810的編碼元素的長度，來實現(xiàn)理想的帶寬。并且，處理滯后時間需要符合最大速度的要求，即速度測量方法設(shè)計用于處理的最大速度。處理滯后時間與最大速度成反比。選擇處理滯后時間受發(fā)送的信號810的限制。在示例性實施例中，例如，處理滯后時間要么是Tus或2*1\』。因此，要發(fā)送的信號810需要具有一個恰當(dāng)?shù)腡us值，使得選擇的處理滯后時間滿足最大速度的要求。如上所述，由于理想的帶寬確定每個編碼元素的長度，因此，編碼序列長度Tus可以通過每個編碼序列內(nèi)的編碼元素數(shù)來調(diào)整。應(yīng)當(dāng)注意，在設(shè)計要發(fā)送的信號810時，需要進一步考慮其他因素。圖14b是在窄帶寬速度處理和回聲信號期間要發(fā)送的信號的二維圖形。發(fā)射信號包括兩對(820a和820b)兩個編碼序列(822)，其中這兩對由不發(fā)送脈沖的時間段間隔開。在示例性實施例中，發(fā)射信號的所有四個編碼序列822是相同的。每個編碼序列822包括一個或多個等大小的編碼元素(未示出)。恰當(dāng)?shù)南辔痪幋a(例如偽隨機相位編碼)施加于每個編碼序列822的編碼元素，使得編碼序列具有和編碼元素相同的帶寬。類似地，要發(fā)送的信號，或脈沖信號具有和編碼元素相同的帶寬。這樣，要發(fā)送的信號的帶寬與每個編碼元素的長度成反比，其中要發(fā)送的信號的所有編碼元素具有相同的長度。通過改變發(fā)射信號822的編碼元素的長度，實現(xiàn)理想的帶寬。在發(fā)射信號后，接收回聲信號，并在處理滯后時間IYi處，距離選通正交信號。計算回聲信號和延遲處理滯后時間的回聲信號之間的相位變化。然后基于該相位變化估計速 度。圖15a是二維圖形，用于說明自相關(guān)函數(shù)的相位和窄帶寬速度處理的物理速度估計值之間的關(guān)系?；芈曅盘柡脱舆t處理滯后時間的回聲信號的自相關(guān)函數(shù)的相位可以基于方程7計算。垂直軸代表自相關(guān)函數(shù)的相位O y而水平軸代表物理速度估計值Vphysical。通過下述方程描述該關(guān)系
Ol = Ang ( P L) = Ji *VPhysical/UA, L+k*2 Ji 方程 10UA, l = c/ (4*NC, J方程 11其中是處理滯后時間中的載波周期數(shù)，k可以是任意正或負(fù)整數(shù)，使得Os在-Ji至的范圍內(nèi)。由于物理速度的最大值大于Ug，那么正如所說明的，對于檢測的相位變化來說，多個速度是可能的。這稱為“速度模糊”。該速度模糊是由在相位上以2 弧度分隔的采樣不能區(qū)分這種現(xiàn)象造成的。圖15b是二維圖形，用于說明自相關(guān)函數(shù)的相位和寬帶寬速度處理的物理速度估計值之間的關(guān)系。垂直軸代表自相關(guān)函數(shù)Ps的相位Os，而水平軸代表物理速度估計值Vphysicalo通過下述方程描述該關(guān)系Ol = Ang ( P s) = Ji *VPhysical/UAj s方程 12UA, s = c/(4*Nc,s)方程 13 其中Nc, s是處理滯后時間中的載波周期數(shù)，Os在-JI至的范圍內(nèi)。由于物理速度的最大值不大于UA,s，因此，正如所說明的，僅有一個速度對應(yīng)于檢測的相位變化。正如所說明的，寬帶寬速度處理方法可以從檢測的相位變化獲得一個速度估計值。但是，該估計值包括小偏差，較高的短期和較高的位置保持誤差。在具有較低性能要求的一些實施例中，有可能直接使用寬帶寬估計值。在需要更高性能的一些實施例中，寬帶寬速度估計值用于通過確定哪條通道可以用于確定窄帶寬速度估計值來分辨圖15a中的速度模糊。一旦確定通道，那么僅有一個對應(yīng)于相位變化的窄帶寬速度估計值。由于窄帶寬速度估計值基本去除了寬帶寬估計值中的所有小的偏差，因此其比寬帶寬速度估計值更準(zhǔn)確。進一步，由于該窄帶寬速度估計值中使用了長滯后時間，因此，其具有更低的短期噪聲和位置保持誤差。基于另一因素，從一組可能的值中選擇一個的過程也可以稱為模糊分辨。該模糊分辨過程在數(shù)學(xué)上可以按照以下描述。首先，確定k(其可以是正或負(fù)整數(shù))的值，使得基于方程10和11，落入-JI至的范圍內(nèi)，其中Vphysical = VBroad。Vtejad是寬帶速度估計值。k的選擇對應(yīng)于上述選擇一個通道的描述。第二，一旦k確定，那么基于方程10和11，在自相關(guān)函數(shù)的相位和窄帶寬速度估計值之間具有一一對應(yīng)關(guān)系，其中k是確定的恒定值。獲得的窄帶寬速度估計值是要選擇的速度。窄帶寬發(fā)射中使用的處理滯后時間和精確發(fā)射的選擇會取決于特殊的應(yīng)用。在示例性實施例中，按照下述設(shè)計該發(fā)射。再次參照圖14b描繪的窄帶寬發(fā)射，第一對和第二對之間的滯后時間Tu是在隨后處理接收的回聲信號中使用的處理滯后時間。處理滯后時間需要足夠長以符合短期噪聲要求和位置保持要求。并且，處理滯后時間需要足夠短，以提供足夠大的模糊速度用于避免由于寬帶速度估計值的短期噪聲引起的模糊誤差。典型地，如果寬帶寬速估計值的短期噪聲是窄帶寬模糊速度的一小部分模糊速度，那么可以避免模糊誤差。圖16是用于說明適于和相控陣換能器一起使用的速度處理方法的實施例的流程圖，其使用寬帶寬發(fā)送以在估計窄帶寬速度中分辨模糊。取決于該實施例，該方法的某些步驟可以刪除，合并在一起，或者重新安排順序。該方法900始于模塊902，其中經(jīng)由相控陣換能器發(fā)送第一組信號。取決于特殊的應(yīng)用，該組信號可以包括一個或多個信號。在示例性實施例中，發(fā)送四個波束。每個要發(fā)送的信號具有的帶寬基本比測量設(shè)備的標(biāo)稱帶寬寬。例如，發(fā)射信號具有的帶寬可以是相控陣波束形成器的帶寬的二倍。測量設(shè)備包括換能器。在一些實施例中，通過換能器的帶寬，或者波束形成器的帶寬，可以確定測量設(shè)備的帶寬。并且設(shè)計發(fā)射信號，使得發(fā)射信號的回聲信號可以在符合最大速度要求的處理滯后時間處被處理?？梢杂性S多滿足這些要求的信號。在一個實施例中，該信號可以包括多 個連續(xù)的編碼序列，每一個編碼序列都是相同的。每個編碼序列進一步包括多個連續(xù)的編碼元素，每個編碼元素都是相同的，除了相位編碼施加于編碼元素，使得編碼序列的帶寬和編碼元素相同。接下來，在模塊904，通過在符合最大速度要求的處理滯后時間處處理第一組信號的回聲信號，由DSP 196獲得第一速度估計值VBroad。在一個實施例中，正如所討論的，參照圖11可以獲得速度估計值。首先基于方程7，計算回聲和延遲處理滯后時間的回聲之間的自相關(guān)函數(shù)的相位。然后，基于方程12和13，從相位獲得速度估計值。移動至模塊906，經(jīng)由相控陣換能器，向外發(fā)射第二組信號。取決于特殊應(yīng)用，該組信號包括一個或多個信號。在示例性實施例中，發(fā)送四個波束。每個要發(fā)送的信號的帶寬基本等于，或窄于相控陣波束形成器的標(biāo)稱帶寬。并且設(shè)計發(fā)射信號，使得要發(fā)射信號的回聲信號可以在處理滯后時間處被處理，其中該處理滯后時間符合短期噪聲要求和位置保持要求，并且能夠避免模糊誤差。接下來在模塊908，通過在符合短期噪聲要求和位置保持要求并且避免模糊誤差的處理滯后時間處處理第二組信號的回聲信號，DSP 196獲得包括兩個或多個估計值的一組可能的速度估計值。在一個實施例中，基于方程7，計算回聲信號和延遲處理滯后時間的回聲信號之間的自相關(guān)函數(shù)的相位。然后基于方程10和11確定一組速度估計值，其中每個速度估計值對應(yīng)于不同的k值。移動至模塊912，基于第一速度估計值從一組可能的速度估計值中選擇一個。該選擇的速度估計值比第一速度估計值更精確。在一個實施例中，從該組可能的速度估計值中選擇和第一速度估計值(即，寬帶速度)最接近的一個。在另一實施例中，按照下述選擇速度估計值。確定k的值(其可以是正或負(fù)整數(shù))，使得基于方程10和11，OL落入-Ji至
的范圍內(nèi)，其中Vtojad用作VPhysic;al的估計值。然后選擇一個與確定的k值對應(yīng)的窄帶寬速度估計值。應(yīng)當(dāng)注意，雖然和相控陣換能器一起描述了示例性實施例，但是該方法可以同樣用于其他換能器。當(dāng)使用其他換能器時，該方法中所指的相控陣波束形成器的帶寬可以由其他換能器或者和這些換能器一起使用的設(shè)備的帶寬替換。在該示例性實施例中可以使用許多信號，其中一個如圖14a和14b所說明的。去除由垂直速度分量引起的偏差當(dāng)上述的聲波多普勒速度處理方法用在包括相控陣換能器的水流剖面儀中時，可以不考慮由垂直于陣列表面的速度分量(也稱為“垂直分量”)引起的某些偏差。該偏差是兩個分立的效應(yīng)的結(jié)果該速度分量的聲音依賴的未補償?shù)乃俣群团c多普勒效應(yīng)無關(guān)但由相位坡度引起的誤差。其他速度處理應(yīng)用，例如雷達(dá)應(yīng)用也易于具有類似的偏差。在一些應(yīng)用中，如圖6B中說明的的陣列元件的間隔在距離上是標(biāo)稱的二分之一波長，在相位上為四分之一周期。相位上的四分之一周期在實際的(不是標(biāo)稱的)聲音速度和頻率處對應(yīng)于波陣面位移的四分之一波長。因此，相控陣幾何結(jié)構(gòu)給出下述關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種利用相控陣換能器在流體介質(zhì)中測量速度的方法，所述相控陣換能器包括多個換能器元件，其布置為形成單個的二維陣列，所述方法包括 接收由所述換能器產(chǎn)生的多個波束的回聲； 至少部分基于所述回聲，計算初步速度估計值；以及 從所述初步速度估計值中基本去除與第一速度相關(guān)的偏差，所述第一速度垂直于所述二維陣列的表面。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述偏差包括與流體介質(zhì)中的聲速相關(guān)的偏差。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述偏差包括獨立于多普勒效應(yīng)的偏差。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述測量的速度是流體介質(zhì)中水流的速度。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述測量的速度是車輛或船只相對于所述流體介質(zhì)的底部或表面的速度。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述測量的速度是目標(biāo)的速度。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述去除進一步包括 至少部分基于聲速和/或一個或多個回聲的質(zhì)心頻移，確定一個或多個校正因數(shù)； 基于所述一個或多個校正因數(shù)，校正所述初步速度估計值。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述計算初步速度估計值進一步包括 計算每個波束的回聲的自相關(guān)函數(shù)；以及 將所述自相關(guān)函數(shù)的相位外推至每個波束的預(yù)先確定的滯后時間。
9.一種適用于加到構(gòu)造為測量速度的設(shè)備中的信號處理電路，所述信號處理電路構(gòu)造為執(zhí)行權(quán)利要求I的方法。
10.一種構(gòu)造為測量速度的系統(tǒng)，包括 相控陣換能器，包括多個換能器元件，其布置為形成單個二維陣列，所述換能器構(gòu)造為產(chǎn)生多個波束以及接收所述波束的回聲；以及 處理模塊，其構(gòu)造為至少部分基于所述回聲計算初步速度估計值，以及從所述初步速度估計值基本去除與第一速度相關(guān)的偏差，所述第一速度與所述二維陣列的表面垂直。
11.一種構(gòu)造為測量速度的系統(tǒng)，包括 用于產(chǎn)生多個波束并接收所述波束回聲的裝置，其中所述裝置包括相控陣換能器，所述相控陣換能器包括多個換能器元件，其布置為單個二維陣列；以及 至少部分基于所述回聲計算初步速度估計值的裝置；以及 用于從所述初步速度估計值基本去除與第一速度相關(guān)的偏差的裝置，所述第一速度與所述二維陣列的表面垂直。
全文摘要
本發(fā)明為用相控陣換能器進行聲波多普勒速度處理的系統(tǒng)和方法，公開了用于測量流速的系統(tǒng)和方法。一方面，一種方法(900)包括發(fā)射第一組比測量系統(tǒng)帶寬寬的信號，接收第一組信號的回聲，基于該回聲獲得第一速度估計值，發(fā)射第二組比測量系統(tǒng)帶寬窄的信號，接收第二組信號的回聲，基于第二組信號回聲獲得速度估計值，基于第一速度估計值，選擇一個速度估計值。在另一方面，一種方法(280)包括從初步速度估計值中基本去除與第一速度相關(guān)的偏差。在另一方面，一種方法(1900)包括獲得一組發(fā)送的脈沖信號中每一個的速度估計值，基于該速度估計值的和計算速度。
文檔編號G01S15/58GK102680977SQ20121011867
公開日2012年9月19日 申請日期2007年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者布萊爾·H·布仁里, 馬克·A·沃格特 申請人:德立文亞迪儀器公司