专利名称：多频多波束声学多普勒系统的制作方法
技术领域：
这里描述的主题的实施方式总体上涉及用于操作各种水传感器平台上的多个相同频率和不同频率的声学传感器装置的系统和方法。
背景技术：
海洋学家及其他科学家和技术人员利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)测量湖、河、湾和海洋中的水的速率。ADCP使用声束测量流速并提供针对一系列深度信元(depthcell)的速率测量的轮廓。ADCP通过由声换能器发射声波信号并接收由水中的颗粒返回的回波(echo)来工作。分析所发送的声波相较于接收到的声波的频率变化(被称为多普勒频移)以确定水的速率。常用频率在IOOkHz到大约5，OOOkHz的范围内。ADCP的声频(acoustic frequency)对系统的性能有重大影响。更具体而言,通过各种测量选项以及将操作调协到不同条件的能力，能够拥有具备在不同频率上工作的多个波束组的ADCP的能力会提供更好的操作弹性并取得更好的效果。然而，ADCP通常被设计为在单一频率上工作。虽然新近有一些ADCP已被设计为在多个频率上工作，但需要在设备不工作时手动地改变频率。因此，对ADCP而言，需要自动调整在工作过程中发射的声波信号的操作频率并能同时工作在多于一个的频率上。被ADCP用来测量多普勒频移的处理方法也是重要的，有三种常用的处理方法，每一种具有不同的性能特点、优点和缺点。不相干处理或窄带处理可在大范围的条件下被用来测量大范围的速率值。但是，由不相干处理收集的速率数据具有相对较高的噪声级，需要系统进行大量的求平均数操作以去除噪声。相干脉冲处理具有比不相干处理低得多的噪声级，但具有其它限制，比如较低的可测量最大速率。第三种处理被称为宽带处理，其本质上是不相干和相干脉冲处理之间的混合。宽带处理提供了高于相干脉冲处理但低于不相干处理的最大速率以及低于不相干处理但高于相干脉冲处理的噪声级。这三种处理方法在结合使用时可获得比只使用一种方法可能获得的性能更高的性能。但是，大多数现有的ADCP每次只能运行这些处理方法中的一种。因此，对ADCP而言，需要能够并行运行多于一种的处理方法并自动调整所使用的处理方法。现有ADCP系统的另一缺点是用于发送声学信号(acoustic signal)以及接收深度和速率数据(即，收集回路)的子系统通常与运行处理方法以分析接收到的数据的子系统分开。这种类型的布局是没有效率的且限制了可被收集的数据的数量和质量二者。因此，对ADCP而言，需要与处理和分析子系统并行地运行收集回路。所以，对ADCP而言，存在能够在同一时间工作在不同的声频上的需求。此外，对ADCP而言，也存在能够同时运行多于一种的处理方法的需求。对ADCP而言，需要并行运行收集回路和处理。尤其是，ADCP需要能够自动地改变工作频率和处理方法以便其同时工作在不同的频率上和采用不同的处理方法。
发明内容
本公开及其多种实施方式通过提供能够自动调整所发出的声频并能够并行工作在多于一种的频率上的ADCP在很大程度上缓和了已知ADCP的缺点。此外，本公开提供了一种能够自动改变正在运行的处理方法并能够并行运行至少两种处理方法的ADCP。更具体地，本公开通过并行处理系统提供了这些优点，借助该并行处理系统，一个处理器运行声波频率的发射和回波的接收，而另一处理器分析接收到的数据并调整所述声波频率和处理方法。有利地，所公开的实施方式连续不断地监控测量条件并利用该信息来选择频率和处理方法的最佳组合以优化仪器性能。在一般的实施方式中，该系统和方法使用声学子系统，所述声学子系统包括有效地(operatively)连接到多个声学收发器的声学子系统控制器，所述多个声学收发器中的第一个工作在第一声频上且被有效地连接到第一组的至少一个换能器，所述多个声学收发器中的第二个工作在第二声频上且被有效地连接到第二组的至少一个换能器。该声学子系统控制器适于选择性地操作各个声学收发器。该声学子系统控制器可包含数字电路，所述数字电路被配置为对从有效地连接到多个声学收发器的换能器组接收的模拟信号进行采样，该数字电路成对地采样模拟信号，具有成对方式的采样频率，所述成对方式的采样频率是所述多个声学收发器中的有效地连接到被采样的换能器的那一个的工作频率的四倍。该数字电路也可对从被采样的换能器接收的模拟信号进行采样而在采样对之间具有周期延迟，所述延迟为所述多个声学收发器中的所述那一个的工作频率的整数个周期。该声学子系统可以进一步包括多路复用器，所述多路复用器适于在声学装置内的多个独立的换能器之间切换被采样的模拟信道。在第一方面，该声学子系统被安装在水传感器平台上，具有第一组和第二组，所述第一组包括第一多元件换能器阵列，所述第一多元件换能器阵列适于测量水环境的第一体积内的三维运动，所述第二组包括第一换能器，所述第一换能器适于测量到与所述第一体积角度一致的水环境的体积内的对象的距离。第一换能器可被用于测量水环境内的深度或海拔。在与第一方面相关的第二方面中，所述多个声学收发器中的第三个工作在第三频率上，有效地连接到第三换能器组，所述第三组包括多元件换能器阵列，该多元件换能器阵列适于测量与所述第一体积角度一致的水环境的体积内的三维运动。第三工作频率可不同于第一工作频率，以在替代环境条件中测量三维运动。在与第一方面相关的第三方面中，第一组可包括适于测量水环境的第二体积内的三维运动的第二多元件换能器阵列，第二组可包括适于测量到与所述第二体积角度一致的水环境的体积内的对象的距离的第二换能器，所述第一体积和第二体积通常从水传感器平台指向相反的方向。第一体积和第二体积可位于传感器平台之上或之下，所述传感器平台可以是自动的或远程操作的运载工具。在与第一方面相关的第四方面中，第二组可包括适于测量到水环境的第三体积内的对象的距离的第三换能器，所述第三体积与所述第一体积角度不一致。第三换能器可被用于测量离航行障碍或地形(terrain)的距离，或被用于绘制地图应用中。在一示例性实施方式中，该系统和方法使用集成的声学换能器系统，所述集成的声学换能器系统包括:工作在第一频率上用于测量由水体内流动的水导致的多普勒频移的多元件换能器阵列，以及工作在第二频率上用于测量水体的深度的角度一致的深度传感器换能器。在另一示例性实施方式中，该系统和方法使用集成的换能器系统，所述集成的换能器系统包括:工作在第一频率上用于测量由水体内流动的水导致的多普勒频移的第一多元件换能器阵列、工作在第二频率上用于测量水体的深度的角度一致的深度传感器换能器、以及工作在第三频率上用于测量由比第一频率处能够测量的深度更大的深度处的流动的水导致的多普勒频移的第三多元件换能器阵列。示例性实施方式可被用于确定通过水体的横截面的水的流动，例如河流的排放。在示例性实施方式中，声学多普勒系统包括多个声学收发器、声学子系统控制器和主处理单元。所述多个声学收发器中的第一个工作在第一声频上且被有效地连接到产生声学信号的第一组换能器。所述多个声学收发器中的第二个工作在第二声频上且被有效地连接到产生声学信号的第二组换能器。所述第一和第二个声学收发器适于同时工作在所述第一和第二声频上。所述声学子系统控制器被有效地连接到所述第一和第二个声学收发器并控制由所述第一和第二组换能器产生的声学信号。主处理单元被有效地连接到所述声学子系统控制器。所述主处理单元适于执行对所述第一和第二组换能器的指令以产生具有至少两个频率的声学信号且适于并行运行至少两种处理方法。主处理单元分析由所述第一和第二组换能器接收的数据，自动调整由所述第一和第二组换能器产生的声学信号的声频，且自动选择由所述第一和第二组换能器接收的数据的处理方法。该处理方法选自由不相干处理、相干脉冲处理和宽带处理组成的组。主处理单元可解决所接收数据中的语意�：杂呕伤龅谝缓偷诙榛荒芷鞑纳藕诺纳�。主处理单元可适于独立于所述多个声学收发器中的其它声学收发器选择性地操作所述多个声学收发器中的每一个声学收发器。主处理单兀还可适于每次一个地、成组并并行地操作所述多个声学收发器中的每一个声学收发器。第一组换能器包括产生声学信号的至少一个轮廓换能器(profile transducer)。由所述至少一个轮廓换能器产生的声学信号具有选自大约IOOKHz到大约5MHz的范围中的频率。与一定体积的水相对所述轮廓换能器的速率相对应的多普勒频移源自从该一定体积的水返回的轮廓回波。被所述主处理单元分析的数据涉及所返回的轮廓回波和所导出的多普勒频移。第二组换能器包括产生声学信号的至少一个深度换能器。由所述至少一个深度换能器产生的声学信号具有选自大约IOOKHz到大约5MHz的范围中的频率。与所述深度换能器和水体底部之间的距离相对应的深度源自从水体底部返回的深度回波。被所述主处理单元分析的数据涉及所返回的深度回波和深度。本公开的实施方式进一步包括确定水的流动的方法。示例性方法包括执行指令以并行产生具有至少两个频率的至少两个声学信号。第一声学信号具有第一频率而第二声学信号具有第二频率。方法包括响应于所述第一和第二声学信号的一者或二者接收数据并分析接收到的数据。所述第一和第二声学信号的一者或二者的频率自动进行调整。一或更多种处理接收到的数据的方法从由不相干处理、相干脉冲处理和宽带处理组成的组中自动选择，且至少两种处理方法可被并行运行。第一声学信号可具有轮廓频率(profile frequency)的轮廓射束(profile beam)且可具有选自大约IOOKHz到大约5MHz的范围中的轮廓频率。响应于所述第一声学信号所接收的数据可以是与源自从一定体积的水返回的轮廓回波的该一定体积的水的速率相对应的多普勒频移。被分析的数据可涉及所返回的轮廓回波和所导出的多普勒频移。第二声学信号可具有深度频率的深度射束且可具有选自大约IOOKHz到大约5MHz的范围中的深度频率。与深度换能器和水体底部之间的距离相对应的深度源自从水体底部返回的深度回波，且被分析的数据可涉及所返回的深度回波和深度。示例性实施方式包括用于声学多普勒系统的控制系统，该控制系统包括控制由所述声学多普勒系统产生的声学信号的处理单元。所述处理单元适于执行指令以产生具有至少两个频率的声学信号且适于并行运行至少两种处理方法。所述处理单元分析由所述声学多普勒系统接收的数据，自动调整由所述声学多普勒系统产生的声学信号的声频，且自动选择处理由所述声学多普勒系统接收的数据的方法。该处理方法可选自由不相干处理、相干脉冲处理和宽带处理组成的组。控制系统的实施方式可进一步包括多个声学收发器。所述多个声学收发器中的第一个被有效地连接到第一组换能器，而所述多个声学收发器中的第二个被有效地连接到第二组换能器。所述多个声学收发器中的第一个工作在第一声频上，且所述第一组换能器产生声学信号。所述多个声学收发器中的第二个工作在第二声频上，且所述第二组换能器产生声学信号。所述第一和第二个声学收发器适于并行工作在所述第一和第二声频上并被有效地连接到所述处理单元。参考下面的描述和附图将会看到在各种实施方式和方面中独立地或组合地实现这里所讨论的特征和功能。序数形容词(比如，“第一”、“第二”、“第三”)被用于区分已命名元件的类似实例，而非描述这样的元件的所需数量或顺序，也就是说，即使在不存在第二组换能器时也可存在“第一”和“第三”组换能器(除非有相反的明确说明)。
附图示出该系统和方法的各个方面。下面给出每张附图的简要说明。在每张附图中的具有相同参考数字的元件表示相同的或者功能上相似的元件。图1A为该系统和方法的一个实施例中的电子设备套件(electronics package)的框图。图1B-1F为图1A所示的声学子系统控制器30元件的组件的示意图。图1B-A至图1B-D为图1B在其中示出的局部视图。图1D-A和ID-B为图1D在其中示出的局部视图。图1E-A和IE-B为图1E在其中示出的局部视图。图1G为描绘从换能器接收到的模拟信号进行采样的信号图，该换能器与以第一声频(例如0.5MHz)工作的声学收发器有效地连接。图2A为该系统和方法的一种实施例的操作程序的流程图。图2B为该系统和方法的一种实施例的操作程序的流程图。图3示出了该系统和方法的一个方面中的采用了 4射束多元件换能器阵列和单个射束换能器的5射束换能器系统。
图4示出了所述系统和方法的一个方面中的采用了第一 4射束多元件换能器阵列和第二 4射束多元件换能器阵列和单个射束换能器的9射束换能器系统。图5示出了在速度轮廓应用中采用的附加的前视单一射束换能器。图6示出了在速度轮廓应用中采用的两个附加的侧视单一射束换能器。图7示出了在该系统和方法的一个方面中的采用向上定位的4射束多元件换能器阵列/单一射束换能器传感器组和向下定位的4射束多元件换能器阵列/单一射束换能器传感器组的10射束换能器系统。图8是声学传感器平台为可浸入水中的运载工具的应用的图，两个通常相反地指向的多元件换能器阵列被用于速度轮廓应用中。
具体实施例方式多频多射束声学多普勒系统可被用于获得水体(例如，运河、河流、海峡、海湾乃至开阔水区)内的速度轮廓，以获得诸如排放轮廓、水流轮廓等的信息，以用于水资源管理、河流和港湾建模、航行绘制地图及其他应用。在这样的系统中，采用多个频率的声学能量的能力提供一种用于依赖于要获得的数据的类型以及声学环境的条件调适数据收集处理的有用的装置。例如，低频率声学能量(例如0.5MHz脉冲)可良好地适合用于测距，高频率的声学能量(例如3.0MHz脉冲)可良好地适合用于在高达5米的范围上的多普勒测量和速度估计，而中频声学能量(例如IMHz脉冲)可较好地适合高达30米的扩展范围上的多普勒测量和速度估计，但以降低的采样频率和降低的测量细节为代价。并入多频传感器的声学多普勒系统迄今为止是从多个独立的声学系统组合的，其中各声学系统包括换能器、收发器和被设计用于控制特定的换能器或多元件换能器阵列以在单一声频工作的控制器/信号处理器。可通过将该系统收集的数据(例如速度轮廓、底部之上的高度或距水面的深度)转发到通用计算机以供分析和进一步的处理来组合这样的独立的系统。然而，这样的系统的集合体不能容易地容纳以相同声频工作的多个系统，由旁瓣干涉(side-lobe interference)导致的系统之间的串扰、双路径反射和多路径反射以及其他的现象可能干扰各系统所进行的测量和后续的数据分析。这样的系统的集合体也可能是昂贵的和庞大的，因为各声学系统在其本质上是被设计用于独立工作的，并且如果要将实时的或半实时的信息呈现给负责指示水传感器平台或响应于水环境中的条件进行调制操作的现场操作者则各声学系统必须联网回到再另一个独立的系统(例如膝上型计算机)。先参照图1A，本系统和方法通过经由共用的声学子系统控制器30互连多个声学收发器20和换能器组10来允许多个声学系统更有效地被控制和工作。该声学子系统控制器30适于选择性地操作各单个的声学收发器。声学子系统控制器30还适于传递收发器信号到主处理单元35，主处理单元35包括信号处理硬件(例如，通用的处理单元、数字信号处理单元等)，主处理单元的硬件通常是业界已知的，值得注意的是，声学收发器21中的第一个可以第一声频(例如3MHz)工作并且连接到多元件换能器阵列中的一组换能器lla、llb、Ilc和lld，例如用于通常由该阵列的射束界定的体积内的多普勒测量和速度估计(如以下在示例性的实施例中所进一步描述的那样)。声学收发器22中的第二个可以第二声频(例如0.5MHz)工作并且连接到换能器12a，例如用于测量到声学射束所限定的体积内的对象的距离(如以下在示例性的实施例中所进一步描述的那样)，所述声学射束所限定的体积与换能器lla、llb、llc和Ild所限定的体积角度一致。本领域技术人员会认识到，提及与其他的射束或体积“角度一致”的射束或体积时是将水传感器平台用作用于比较的共同的起源/参考点的，该环境中的“对象”是水介质之间的任何过渡部分(transition)和大的介质(例如空气、陆地、金属等，例如包括水体的表面、水体的地基、航道或管道的壁、以及诸如浮标、锚具的海工建筑等)。 声学子系统控制器30优选为模块化的，以使得可通过本质上相同的硬件连接另外的声学收发器20，以增加另外的频率能力。例如，声学收发器中的第三个23可以第三声频(例如IMHz)工作并且连接到多元件换能器阵列中的一组换能器13a、13b、13c和13d，例如用于与换能器lla、llb、llc和Ild所限定的体积角度一致的并且通常由该阵列的射束界定的体积内的多普勒测量和速度估计。第三收发器23和第三换能器组可被用于例如替选的环境条件(诸如更深的水体、不同类型的地基(例如，岩石或泥泞的地基)、不同类型的水面(例如，平静的、搅浑的或上面结冰的)、以及不同类型的声学性质(例如，清水与携载大量悬浮固体物质的水))中的多普勒测量和速度估计。本领域技术人员还会认识到所描述的系统可被用于获得本质上任何充分大的水环境中的速度轮廓，并且可在包括如下所述的那些变化的方向上进行工作。 从多个声学收发器20中的收发器可通过声学子系统控制器30独立地工作以使得换能器组10(例如，组lla、llb、llc和Ild)可被关闭以避免按相同声频工作的换能器组(例如，不同地指向的换能器传感器组中的换能器)之间的干涉或串扰两者的意义上讲，声学子系统控制器30也优选地为�？榛�。当水传感器平台变得位置太接近于水体的边界(例如，运河的岸)、或者遇到作为声学能量的有效率的反射器的对象(诸如海底管线)时，可出现这样的干涉或串扰。虽然典型地将提供和/或增加另外的声学收发器20以增加另外的频率能力，但是收发器不是必须提供另外的频率能力。例如，声学收发器中的第四个24可以第二声频工作并且连接到一组换能器14a和14b，以例如用于测量到由相应的声学射束限定的、角度不彼此一致的体积内的对象的距离。声学收发器中的第五个25可利用一组换能器15a、15b、15c等或者以上述的声频中的一个或者以再另一个声频工作，所述一组换能器15a、15b、15c等被配置用于本质上要求通过以共用的声频驱动的换能器进行声学感测和分析的任何已知的应用。因此，声学子系统控制器30和主处理单元35允许多个多频和/或多射束声学系统通过单一硬件接口被操作者控制、采样和概括。硬件接口还可包括:内部传感器40 (诸如倾斜和摇晃传感器、数字指南针等)；对于传感器的外部传感器接口 42，诸如GPS接口、温度传感器、盐度传感器等；用于通过电缆、光缆、无线电和/或声学无线远程通信连接传输控制信号和/或结果的用户通信模数44 ;用于向系统和数据存储器48供给电力的电力管理器46，所述数据存储器48用于根据制造者和/或现场操作者的要求记录分析结果、测量的数据、来自声学收发器的所选择的信号、控制信号、硬件状态等。参照图1B-1F，声学子系统控制器30可包含数字电路，所述数字电路被配置为对从有效地连接到多个声学收发器20的换能器组10接收的模拟信号进行采样，对模拟信号成对地进行采样的所述数字电路具有成对方式的采样频率(所述采样频率是有效地连接到被采样的换能器的多个声学收发器中的那一个的工作频率的四倍)，即，所述对以由相关联的收发器产生的发射波的周期的四分之一(或发射的波形的周期的四分之一)相隔。该数字电路通常包括有效地连接到模拟-数字转换器(A/D转换器)32a的逻辑处理器31，并且可包括多路复用器33a，所述多路复用器33a适于在传送来自单独的换能器的模拟信号的线路之间切换A/D转换器所采样的模拟信道。在图1B所示的图解的方面中，逻辑处理器31是与微控制器配对的现场可编程门阵列(FPGA)，所述微控制器控制基准信号发生器34(在图1F中示出)，但是在其他的方面中，该逻辑处理器本身可控制基准信号发生器34，并且在更其他的方面，逻辑处理器31可为应用特定的集成电路(ASIC)、高速通用处理器或其他的等同的处理装置。在图1C和ID所示的图解的方面中，逻辑处理器31有效地连接到第一 A/D转换器32a和第一多路复用器33a以对接受的信号频率和相位(即，声频，由换能器所接收的反射的声学能量的声频，可能是多普勒偏移的声频)进行采样，并且连接到第二 A/D转换器32b和第二多路复用器33b以对接受的信号强度(即，由换能器所接收的反射的声学能量的大小)进行采样。现场可编程门阵列逻辑处理器31、双A/D转换器32a和32b以及双多路复用器33a和33b的组合允许从较低速度和更有电力效率的部件制造该电路，同时避免定制ASIC设计的费用。声学子系统控制器30还可适于有效地控制多个声学收发器20,以根据米样方案54中的指令(以下进一步详细描述)使指定的换能器组10发出指定数量的具有指定的持续时间和间隔声音，或者由主处理单元35执行。在这样的方面中，声学子系统控制器30可包括适于将由逻辑处理器31生成的收发器控制信号指示到多个声学收发器20中的所选择的一个的电路，这样的电路的例子在图1E中示出。在该图解的方面中，该电路适于根据由逻辑处理器31或主处理单元35控制的传输使能信号线“TX_EN[#] ”的操作将由逻辑处理器31生成的收发器控制信号一次一个地、成组地和同时地导向到多个声学收发器。从逻辑处理器31起的传输线路“XI”和“X2”连接到到达单独的声学收发器的传输线路“Xl_[#]”和“X2_[#] ”，以允许逻辑处理器独立于其它声学收发器地选择性地操作多个声学收发器20中的各声学收发器。传输使能信号线的同时操作还允许从逻辑处理器31起的传输线路同时地操作声学收发器组或全部所述多个声学收发器。如图1G所示，数字电路对从被采样的换能器(诸如换能器Ila)接收的模拟信号进行采样，以获得数字采样对，所述数字采样对以该换能器发声期间发射的波的周期的四分之一相隔。示例性的发射波形示出在行A上，示例性的多普勒偏移的接收的波形示出在行B上。逻辑处理器31在由主处理单元35确定的工作频率的整数个周期处对A/D转换器32a进行采样，并且对涉及收发器和被采样的换能器(例如，收发器22和换能器12a)的工作频率的(由单独的收发器供给的或由用户输入的)信息进行采样。各个采样组成数值对，所述数值对相隔所述工作频率的周期的四分之一，包含关于所接受的信号频率和相位的信息。为了图解的明晰，采样所述对的第一成员的时机示出在行C上，采样所述对的第二成员的时机示出在行D上。通过以与收发器和被采样的换能器的工作频率相同的频率对从被采样的换能器接收的模拟信号进行采样，有效地去除了发射波形的频率，而使得仅仅多普勒偏移频率分量被反映在作为结果得到的数字值中。通过成对地(所述对相隔所发射的波形的周期的四分之一)对从被采样的换能器接收的模拟信号进行采样，所述对的成员可被当做多普勒偏移信号的余弦(同相)分量和正弦(正交)分量。该数字采样系统和方法有利地消除了现有的单一频率声学多普勒控制器/信号处理器中所发现的频率特定的模拟正交解调电路。在美国再颁专利第35535号中示出和讨论了这样的电路的例子，其全部内容在此通过引用被并入。根据诸如在所引用的专利中所讨论的或现有技术中可得到的其他的方法，从A/D转换器33a获得的一系列数字值可被存储在逻辑处理器31中，并被进一步处理以确定所接收的声学能量的多普勒频率，并且最终确定水介质的部分的相对速度。在逻辑处理器31对第二 A/D转换器32b和第二多路复用器33b进行采样以对接受的信号强度进行采样的图1C和ID所示的方面中，对于每一采样事件第二 A/D转换器32b可仅被采样一次(例如在采样所述对的第一成员的期间)，以获得所接受的信号强度信息以供存储和根据已知的方法进一步进行处理。为了容易和明晰的图解，在图1G中所示出的示例性的信号包括放大的多普勒频移。实际上，声学子系统控制器30不必每一发射波周期一次地对从被采样的换能器接收的模拟信号进行采样。作为替代，数字电路对模拟信号的采样也可在采样操作之间具有周期延迟，该延迟是所述多个声学收发器中的那一个的工作频率的多个周期。在一个方面，逻辑处理器31对A/D转换器32a采样从特定的换能器接收的模拟信号，以在该发射波的每第八个周期(即，以作为有效地连接到被采样的换能器的多个声学收发器中的那一个的工作频率的八分之一的速率)获得一个对。取决于制造者或用户操作者希望在多普勒速度计量过程期间解析的所接收的模拟信号的带宽，该周期的数目(或者对之间的时间间隔)可在其他的方面中变化。参照图2A，声学子系统控制器30和主处理单元35借助于有效地连接到多个声学收发器20和换能器组10而非任何单一的组可适于根据水环境内的条件将采样数据的集合重新排序和优化(即使没有来自系统的现场操作者的运行时间介入)。替代地，该系统可经由用户输入描述和/或优选地经由利用所谓的“即插即用”方法的硬件自我识别来评估可利用的收发器/换能器硬件52，并且获得用户指定的采样方案54。系统然后可在步骤50处自创建初始的采样策略，实现用户指定的方案，同时自动地解决可利用的收发器/换能器硬件52之间的冲突。例如，会期望要求生成具有相同的声频但角度彼此不一致的声学射束的换能器14a和14b被操作为在换能器14a和换能器14b的声脉冲(pinging)之间具有几毫秒的延迟，以避免可干扰测量和数据分析的双反射、多路径反射以及其他的现象。此外，会期望要求收发器22和24以及与其关联的换能器被操作为在换能器12a、14a和14b的声脉冲之间具有几毫秒的延迟，以避免可在以相同声频工作的另外的分离的子系统中干扰测量和数据分析的侧叶干涉、双路径反射和多路径反射以及其他的现象。该系统然后可基于用户指定的采样方案54和在步骤50确定的初始的采样策略在步骤60开始收集采样数据。从收发器20和相关联的换能器10接收的信号被声学子系统控制器30数字化、传送到主处理单元35，并且与从内部传感器40和外部传感器接口 42获得的数据被组合地用于在步骤65计算派生数据参数和分析结果(诸如深度或高度、速度估计、排放或水流估计等)。该系统然后可在步骤70至少输出派生数据和分析结果(集合地数据)到用户通信�？�44和/或数据存储器48。值得注意的是，通过声学子系统控制器30与主处理单元35内的集中控制和信号处理，该系统和方法可在步骤80调整采样策略。例如，系统可在对换能器12a进行采样之后，根据诸如由水介质和/或水面和/或地基的特性引起的信号品质、所测量的深度或海拔、所测量的水或底部流速(特别是指示水传感器平台的快速运动的底部流速)等因素，确定仅使用声学收发器21或23以及相关联的换能器的多普勒测量是不令人满意的，并且调整采样策略以包括利用声学收发器21和23的多普勒测量，或者反过来。进一步例如，该系统可在对可利用的换能器进行采样之后，通过改变声脉冲序列和时机来优化换能器之间的采样，以避免侧叶干涉、双路径反射和多路径反射以及其他的现象，同时在可能的情况下保持用户指定的采样方案和所要求的数据分辨率。另夕卜，该系统可改变声学处理方法，诸如滤波和校正方案。最后，该系统可响应于运行时的用户输入82 (诸如偏好的改变或手动更改系统的自创建的采样策略)改变采样策略和/或计算/处理方法的任何方面，但是对于参照图2B所描述的自动实施例，不要求运行时用户输A (run-time user input)。转到图2B,其描绘了允许对声频自动控制和调整的ADCP的示例性实施例以及处理方法。该系统架构基本上与上面参照图2A描述的系统架构相同，但是许多数据处理步骤是不同的。总体来说，基于连续收集的水深度和速率数据，该系统自动选择最佳的声频和处理方法来检测速率。有利的是，该系统能并行运行至少两个独立的频率和处理方法。该系统还包含并行处理，以便该声学子系统控制器30控制声学信号的产生和数据的接收，同时该主处理单元35分析该数据并调整该频率和处理方法。应注意的是，该信号产生的自动控制、数据分析和频率以及处理方法的调整能由单个处理单元来执行。该频率和处理方法对(pairings)包括但不限于IMHz不相干脉冲(Incoherent) (IC)和IMHz相干脉冲(Pulse Coherent) (PC) ；lMHz宽带(BB)和3MHz不相干脉冲；和3MHz相干脉冲和3MHz宽带。可以任意组合使用一个以上的频率和处理方法对，一些不相干速率信号由于它们的高的最大速率优选总是被传送。如上面参考图1A所阐述的，声学子系统控制器30和主处理单元35与多个声学收发器20和换能器组10有效连接。在运行中，如图2A所示，该ADCP访问可获得的收发器/换能器硬件52，然后在步骤50自我创建初始的采样策略。该系统基于用户指定的采样方案54和在步骤50确定的初始的采样策略在步骤60开始收集采样数据。从收发器20和相关联的换能器10接收的信号被声学子系统控制器30数字化并被传送到主处理单元35。在示例性实施例中，该系统并行收集三种类型的信号或“声脉冲”，包括不相干处理、相干脉冲处理和用于�：冉馑愕牡谌藕�。该不相干数据被用于追踪速率。更具体地，该系统将用于每个换能器射束的不相干速率的所有有效信元(valid cells)求平均，然后对该平均的射束速率值进行滤波。应注意的是，该ADCP的最小的操作深度由获得一个有效不相干速率信元所必须的最小深度决定。用于3MHz不相干配置的这种深度约为该换能器下方的28cm的水深(S卩，约5cm空白、约IOcm的脉冲、约IOcm信元和用于旁瓣的10%限量)。基于频率和不相干配置，这些值是变化的，并且在一些情况下，该旁瓣限量不是必须的。该求平均和滤波步骤有利地将该速率数据中的噪音减小到可接受的水平。所有的换能器射束的最大的被平均和滤波的不相干速率是用于确定合适速率方法的最大射束速率。该系统将至少约80%的安全裕度(safety margin)应用到速率标准以解释噪音以及求平均和滤波的效果。而且，在某些情况下，一组换能器射束追踪不相干速率，而从该第一组旋转45度的另一组射束追踪相干脉冲或者宽带速率。在这些情况中，该能够被观察到的最大的射束速率会发生改变，使得该安全裕度的应用是必要的。额外的优化可包括结合该被追踪的不相干射束速率以确定在任何方向上任何射束组将会看见的最大的射束速率。这有利地有助于保持约80%的安全裕度，该安全裕度需要被用于条件的快速改变，例如快速将该ADCP移入具有不同深度和速率的新的区域。下面将参考图2C描述一种选择最佳的声频信号的方法的示例性实施例。该主处理单元35基于连续追踪和更新的深度和速率值选择最佳的速率测量方法。下面的表格概述了用于约5米水深的选择方法的示例性实施例。
权利要求
1.一种声学多普勒系统，包括: 多个声学收发器； 所述多个声学收发器中的第一个工作在第一声频上且被有效地连接到产生声学信号的第一组换能器； 所述多个声学收发器中的第二个工作在第二声频上且被有效地连接到产生声学信号的第二组换能器； 所述第一和第二个声学收发器适于并行工作在所述第一和第二声频上； 声学子系统控制器，其被有效地连接到所述第一和第二个声学收发器，所述声学子系统控制器控制由所述第一和第二组换能器产生的声学信号；以及 主处理单元，其被有效地连接到所述声学子系统控制器，所述主处理单元适于执行对所述第一和第二组换能器的指令以产生具有至少两个频率的声学信号且适于并行运行至少两种处理方法； 所述主处理单元分析由所述第一和第二组换能器接收的数据，自动调整由所述第一和第二组换能器产生的所述声学信号的声频，且自动选择处理由所述第一和第二组换能器接收的数据的方法。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述处理的方法选自由不相干处理、相干脉冲处理和宽带处理组成的组。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一组换能器包括产生声学信号的至少一个轮廓换能器，且其中与一定体积的水相对于所述轮廓换能器的速率相对应的多普勒频移源自从所述一定体积的水返回的轮廓回波。
4.如权利要求3所述的系统，其中被所述主处理单元分析的数据包括返回的所述轮廓回波和导出的所述多普勒频移。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述第二组换能器包括产生声学信号的至少一个深度换能器且其中与所述深度换能器和水体底部之间的距离相对应的深度源自从所述水体底部返回的深度回波。
6.如权利要求5所述的系统，其中被所述主处理单元分析的数据包括返回的所述深度回波和所述深度。
7.如权利要求3所述的系统，其中由所述至少一个轮廓换能器产生的所述声学信号具有选自大约IOOKHz到大约5MHz的范围中的频率。
8.如权利要求5所述的系统，其中由所述至少一个深度换能器产生的所述声学信号具有选自大约IOOKHz到大约5MHz的范围中的频率。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述主处理单元适于独立于所述多个声学收发器中的其它声学收发器选择性地操作所述多个声学收发器中的每一个声学收发器。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述主处理单元适于每次一个地、成组并同时地操作所述多个声学收发器中的每一个声学收发器。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述主处理单元解决所接收数据中的语意�：杂呕伤龅谝缓偷诙榛荒芷鞑乃錾藕诺纳怠�
12.一种确定水的流动的方法，包括: 执行指令以并行产生具有至少两个频率的至少两个声学信号；并行产生第一频率的第一声学信号和第二频率的第二声学信号； 响应于所述第一和第二声学信号的一者或二者接收数据； 分析接收到的所述数据； 自动调整所述第一和第二声学信号的一者或二者的声频； 自动选择处理接收到的所述数据的方法，所述处理的方法选自由不相干处理、相干脉冲处理和宽带处理组成的组；以及 并行运行至少两种处理方法。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述第一声学信号具有轮廓频率的轮廓射束且其中响应于所述第一声学信号接收的所述数据是与一定体积的水的速率相对应的多普勒频移，所述一定体积的水的速率源自从该一定体积的水返回的轮廓回波。
14.如权利要求13所述的方法，其中被分析的所述数据包括返回的所述轮廓回波和导出的所述多普勒频移。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述第二声学信号具有深度频率的深度射束且其中与深度换能器和水体底部之间的距离相对应的深度源自从所述水体底部返回的深度回波。
16.如权利要求15所述的方法，其中被分析的所述数据包括返回的所述深度回波和所述深度。
17.如权利要求13所述的方法，其中所产生的所述声学信号具有选自大约IOOKHz到大约5MHz的范围中的轮廓频率。
18.如权利要求15所述的方法，其中所产生的所述声学信号具有选自大约IOOKHz到大约5MHz的范围中的深度频率。
19.一种用于声学多普勒系统的控制系统，包括: 控制由声学多普勒系统产生的声学信号的处理单元； 所述处理单元适于执行指令以产生具有至少两个频率的声学信号且适于并行运行至少两种处理方法； 所述处理单元分析由所述声学多普勒系统接收的数据，自动调整由所述声学多普勒系统产生的所述声学信号的声频，且自动选择处理由所述声学多普勒系统接收的所述数据的方法。
20.如权利要求19所述的控制系统，其中所述处理的方法选自由不相干处理、相干脉冲处理和宽带处理组成的组。
21.如权利要求20所述的控制系统，进一步包括: 多个声学收发器，所述多个声学收发器中的第一个工作在第一声频上且被有效地连接到产生声学信号的第一组换能器； 所述多个声学收发器中的第二个工作在第二声频上且被有效地连接到产生声学信号的第二组换能器； 所述第一和第二个声学收发器适于并行工作在所述第一和第二声频上且被有效地连接到所述处理单元。
全文摘要
一种声学多普勒系统包括多个声学收发器、声学子系统控制器和有效地连接到声学子系统控制器的主处理单元。多个声学收发器中的第一个工作在第一声频上且被有效地连接到产生声学信号的第一组换能器。多个声学收发器中的第二个工作在第二声频上且被有效地连接到产生声学信号的第二组换能器。第一和第二个声学收发器适于并行工作在第一和第二声频上。声学子系统控制器被有效地连接到第一和第二个声学收发器并控制由第一和第二组换能器产生的声学信号。主处理单元适于执行对第一和第二组换能器的指令以产生具有至少两个频率的声学信号且适于并行运行至少两种处理方法。主处理单元分析由第一和第二组换能器接收的数据，自动调整由第一和第二组换能器产生的声学信号的声频，且自动选择处理由第一和第二组换能器接收的数据的方法。
文档编号G01S15/58GK103119468SQ201180046066
公开日2013年5月22日 申请日期2011年9月23日 优先权日2010年9月24日
发明者克雷格·胡赫塔, 拉蒙·卡布雷拉, 日夫科·格罗泽夫, 约翰·斯洛特, 亚历山大·科瓦切夫, 达丽尔·斯洛克姆 申请人:Ysi公司
专业数控铣床产品供应商
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