(57)【要約】【課題】ピング内で変わる周波数を有するソナーピングパルスで流体に音波を当てて、ソナーピングパルスを反射する流体中の物体に関する位置情報を復元すること。【解決手段】ソナーピング生成器によって送信された反射信号を検出するため、大きいアレイの多素子ソナー検出器を使用するソナーシステムにおいて、送出ソナーピング生成器が、各ピングの期間中に変化する周波数のソナー信号を送出し、周波数が単調増加も単調減少もしない。【選択図】図７
2020046415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a)ある容量の流体に1つまたは一連のソナーピングを用いて音波を当てるステップであって、前記ある容量の流体がゼロ個以上の物体を含み、前記1つまたは一連のソナーピングのうちの少なくとも1つが前記ソナーピングの期間中に著しく変化する周波数を有し、前記周波数変化が単調増加も単調減少もしない、ステップ
を含む、方法。
【請求項２】
(b)前記ゼロ個以上の物体から反射された前記1つまたは一連のソナーピングのうちの前記少なくとも1つからソナー信号を受信するステップであって、前記ソナー信号が水中聴音器の大きいアレイによって受信され、水中聴音器の前記大きいアレイの各々がアナログ電圧対時間電気信号を生成し、前記アナログ電圧対時間電気信号が水中聴音器の前記大きいアレイの各々によって受信される前記ソナー信号の位相および強度を示す生データの点の第1の集合を含む、ステップと、
(c)生データの点の前記第1の集合を生データの点の第2の集合に変換するステップであって、生データの点の前記第2の集合が前記ゼロ個以上の物体から反射され水中聴音器の前記大きいアレイ中の各水中聴音器によって受信された前記ソナー信号の前記位相のデジタル表現を含み、生データの点の前記第2の集合が各水中聴音器についてnビットの数を含み、nが3より小さい正の整数である、ステップと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
(b)前記ゼロ個以上の物体から反射された前記1つまたは一連のソナーピングのうちの前記少なくとも1つからソナー信号を受信するステップであって、前記ソナー信号が水中聴音器の大きいアレイによって受信され、水中聴音器の前記大きいアレイの各々がアナログ電圧対時間電気信号を生成し、前記アナログ電圧対時間電気信号が水中聴音器の前記大きいアレイの各々によって受信される前記ソナー信号の位相および強度を示す生データの点の第1の集合を含む、ステップと、
(c)生データの点の前記第1の集合を生データの点の第3の集合に変換するステップであって、生データの点の前記第3の集合が各水中聴音器によって受信された前記ソナー信号の前記位相および強度のデジタル表現を含み、単一のピングからの生データがデジタル数の対の集合として記録され、各デジタル数が水中聴音器の前記大きいアレイのうちの1つによって記録され、デジタル数の対が前記単一のピングの各時間スライスについて記録され、デジタル数の各対のうちの一方が、戻されるソナー強度の測定値であり、デジタル数の各対のうちの他方が、戻されるソナー信号の位相の測定値である、ステップと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記1つまたは一連のソナーピングのうちの前記少なくとも1つのうちの少なくとも一部が、同じソナーピングの別の部分の周波数より少なくとも10%高い周波数を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記1つまたは一連のソナーピングのうちの前記少なくとも1つのうちの少なくとも一部が、同じソナーピングの別の部分の周波数より少なくとも50%高い周波数を有する、請求項4に記載の方法。
【請求項６】
(a)ある容量の流体に少なくとも1つまたは一連のソナーピングを用いて音波を当てるステップであって、前記ある容量の流体がゼロ個以上の物体を含み、前記1つまたは一連のソナーピングのうちの少なくとも1つが擬似ランダム周波数パターンを有し、前記擬似ランダム周波数パターンが均一な周波数でなく、単調増加する周波数でもなく、単調減少する周波数でもない、ステップ
を含む、方法。
【請求項７】
前記擬似ランダム周波数パターンが擬似ランダム周波数パターンの集合から選択され、擬似ランダム周波数パターンの前記集合が、物体の様々な集合から反射されるソナー信号を検出するためのアレイ検出器に対して様々な範囲および角度における物体の前記様々な集合に当たる、可能な周波数パターンのピングのコンピュータモデルを走らせ、前記モデルの結果を分析し、かつ基準にしたがって擬似ランダム周波数パターンの前記集合を選択することによって生成される、請求項6に記載の方法。
【請求項８】
1つの基準が、前記音波を当てるソナーピングの擬似ランダム周波数パターンと受信ソナー信号の畳み込みがピークを有する畳み込み曲線を戻し、前記ピークの下の面積が決められた面積より大きい、請求項7に記載の方法。
【請求項９】
1つの基準は、選択された周波数パターンの前記集合のうちの1つの要素の送出信号を、同じ集合の別の要素の受信信号と畳み込むことによって戻される畳み込み曲線がピークを有さず、ピークの下の面積が決められた面積より大きい、請求項7に記載の方法。
【請求項１０】
ステップ(a)がさらに
前記ある容量の流体に少なくとも2つのソナーピングを用いて音波を当てるステップであって、前記少なくとも2つのソナーピングの各々のパターンが擬似ランダム周波数パターンの前記集合から選択される異なるパターンであり、前記少なくとも2つのソナーピングからの反射されたソナー信号がソナー信号を検出するためのアレイ検出器において重なり合った信号として到達するときに、前記少なくとも2つのソナーピングが送信される、ステップ
を含む、請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
(a)ある容量の流体に少なくとも1つまたは一連のソナーピングを用いて音波を当てるステップであって、前記ある容量の流体がゼロ個以上の物体を含み、前記1つまたは一連のソナーピングのうちの少なくとも1つが擬似ランダム周波数パターンを有する、ステップ
を含む、方法。
【請求項１２】
(b)前記ゼロ個以上の物体から反射された前記1つまたは一連のソナーピングのうちの前記少なくとも1つからのソナー信号を受信するステップであって、前記ソナー信号が水中聴音器の大きいアレイによって受信され、水中聴音器の前記大きいアレイの各々がアナログ電圧対時間電気信号を生成し、前記アナログ電圧対時間電気信号が水中聴音器の前記大きいアレイの各々によって受信される前記ソナー信号の位相および強度を示す生データの点の第1の集合を含む、ステップと、
(c)生データの点の前記第1の集合を生データの点の第2の集合に変換するステップであって、生データの点の前記第2の集合が前記ゼロ個以上の物体から反射され水中聴音器の前記大きいアレイ中の各水中聴音器によって受信された前記ソナー信号の少なくとも前記位相のデジタル表現を含む、ステップと
をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、ソナーパルス(ピング)で流体の水域に音波を当て、流体中の疎な物体からのソナーピング反射を測定する分野である。
【０００２】
以下の米国特許および米国特許出願、すなわち、8月20日にHansenらに発行された米国特許第6,438,071号、2008年12月16日にHansenに発行された米国特許第7,466,628号、Hansenに2009年2月10日に発行された米国特許第7,489,592号、2011年11月15日にSlossに発行された米国特許第8,059,486号、2011年3月1日にSlossに発行された米国特許第7,898,902号、2014年10月7日にSlossに発行された米国特許第8,854,920号、および2015年4月28日にSlossに発行された米国特許第9,019,795号は、本出願に関係し、Slossによって2015年10月30日に出願された米国特許出願第14/927,748号および第14/927,730号、ならびに2018年2月28日に出願された第15/908,395号は、やはり本出願に関係する。
【０００３】
上で識別した特許および特許出願は、本発明の譲受人に譲渡され、組み込まれた材料を含むその全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ピング内で変わる周波数を有するソナーピングパルスで流体に音波を当てて、ソナーピングパルスを反射する流体中の物体に関する位置情報を復元することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
流体中に沈んだ1つまたは複数の物体は、物体にソナーピングパルスを向けること、および物体から反射されたソナー信号をソナー撮像アレイで記録することによって撮像される。反射されたソナー信号から計算されるデータは、物体のソナー画像を生成するために使用される。ソナーピングパルスがピングパルスの期間中に増加と減少の両方の周波数変動を有する場合、データが有利に測定および計算される。本発明の最も好ましい方法は、パルスの期間中の周波数と位置の両方が擬似ランダムに分散される場合である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】表面にソナー波を送信するソナー発生源および表面から反射されるソナー信号を受信するソナーアレイ受信デバイスを示すスケッチである。
【図２Ａ】ソナーピング生成器12から送出される単一周波数のソナーピング圧力信号20を示すグラフである。
【図２Ｂ】ピング生成器12、ピング受信器19、および物体14の相対的な位置を示すスケッチである。
【図３】電圧対時間として、3つの従来技術の信号波形を示す図である。
【図４】(A)は、定常的な周波数の正弦波ピングについてのレジスタ値を示すプロットである。(B)は、チャープした周波数の正弦波ピングについてのレジスタ値を示すプロットである。
【図５】音波が当てられる容量の中の反射性物体(R0およびR1)を示すスケッチである。
【図６】(A)は、正弦波パルスについての畳み込み結果を示す図である。(B)は、チャープしたパルスについての畳み込み結果を示す図である。
【図７】増減する周波数のパターンを有する送出信号を示すスケッチである。
【図８】図7のスケッチを、1と0のパターンとして示しており、0は、圧力が平均圧力より下である領域であり、1は、圧力が平均圧力より上である領域である図である。
【図９】10の値を有する送信信号Txが5ステップで受信信号Rxと比較され、各比較について、一致の数が記録されるスケッチである。
【図１０】一致の数対整数ステップのプロットを示し、Tx信号とRx信号が一致する10の最大値を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
表、チャート、テキストなどの形式で表されたデータよりも、視覚的な形式で表されたデータは、人間にはるかに良好に理解されることが、長い間知られている。しかし、棒グラフ、折れ線グラフ、マップ、または地形図として視覚的に表されるデータでさえ、それらを解釈するために、経験およびトレーニングが必要である。しかし、人間は、最良で最速のコンピュータでさえ、解釈するのが不可能である、視覚的な画像におけるパターンを、迅速に認識および理解することができる。したがって、データを画像へと変えるのに、多くの努力が費やされている。
【０００８】
特に、光に関係しないデータから生成される画像は、生成するのが困難である。1つのそのようなタイプのデータはソナーデータであり、ここで、ソナー信号パルスは、発生器からある容量の流体へと送出され、音波を当てられた容量の中の物体からの反射された音エネルギーが、1つまたは複数の検出器素子によって記録される。「音波を当てられた容量」という用語は、当業者には知られており、本明細書では、音波が向けられるある容量の流体であると規定される。本発明では、ピングと呼ばれる音エネルギー波のソナー信号パルスは、およそ円錐形の容量の水に音波を当てる超音波ソナー生成器から送出される。
【０００９】
図1は、水中に、超音波ソナー生成器またはピング生成器12を保有する船舶10のスケッチを示す。発信ピングの発信音波13が、水中に浮遊する物体14上に当たり、音波16が多素子ソナー検出器19に向けて戻って反射される。物体14は、水中に浮遊してよく、海底15上にあってよく、または海底15の中に埋まっていてよい。音波17は、海底15からソナー検出器19に向かって、やはり反射されるのが示される。音波16および17は、水の表面11からも反射される場合がある（図示せず）。一連の発信ピングパルスは、発信ピング周波数Pfで送出されてよい。従来技術のソナーピングは、一般的に一定の音周波数fを有する(従来技術において、チャープパルスピングと呼ばれる方法では、周波数fがピングの期間中に変えられることがあり、ここでは、パルス周波数は、パルスを通して単調に増加または減少する)。従来技術のマスタ発振器(図示せず)が、周波数fで矩形波電圧出力を生成し、従来技術のピング生成器が、マスタ発振器を使用して、マスタ発振器と同相で発信正弦波音波を生成する。発信ピング長lpおよび発信ピング時間tpは、水中の音の速さに関係する。
【００１０】
一連の発信ピングパルスは、ピング周波数Pfで送出されてよい。音波13は、物体14への円錐形ビームとして伝播するのが示される。反射音波16は、多素子ソナー検出器アレイ19の各検出器素子によって受信され、多素子ソナー検出器アレイ19は、各素子において、反射されたピング音波の圧力を測定し、素子に当たる音波の振幅対時間を表すアナログ電気電圧信号を戻す。
【００１１】
反射されたピング信号は、スライス時間tsを有する一連のスライスへと細分される場合がある。
【００１２】
各検出器素子からのアナログ電気電圧信号は、従来技術においてデジタル化され、多素子検出器素子の各々における、反射されたソナー波の位相および強度を表す生データを与えるように取り扱われる。
【００１３】
次いで、デジタル化したデータが、検出器からの範囲、および2つの直交する角度の関数として、3次元空間極座標中の点を提供するために、ビーム形成器プログラムで変換される。極座標空間中のこれらの点は、さらに、一般的に、3次元直交座標空間中のデータとして表される。点のデータは、次に、例えば海底上の高さ、または表面の下の深さとしての、「z」座標として表されてよく、一方、x座標およびy座標は、例えば西および北として選択することができる。他の例では、x座標またはy座標は、壁または他の長くほとんど真っ直ぐな物体に平行に選択することができる。
【００１４】
ソナーデータの1つの特性は、音波が当てられる容量が、一般的に、1つだけまたは少数の対象の物体を有する水であるために、ソナーデータが非常に疎であることである。ある容量の流体は、一般的に、3次元直交座標空間中の一連の立方体へと分割され、データは、長さlsの辺を有する立方体の小さい割合から戻される。ソナー画像の解像度は、立方体の直線の寸法lsに反比例し、一方、各検出器素子からの信号を記録して信号がどこから来たのかを計算する計算コストは、立方体寸法の3乗に反比例する。ここで、解像度と、受信データから画像を生成するのにかかるコンピュータ能力および時間との間にはトレードオフがある。
【００１５】
他の電磁または超音波撮像技術では、データは非常に密である。ソナー撮像に関係しない技術分野において、医療用撮像は、本質的に、各ボクセルからの信号を有し、CTスキャン、MRIスキャン、PETスキャン、および超音波撮像のような撮像のための技法は、疎なソナーデータには適用可能でない。同様に、石油およびガスの探索における、岩石層のデータを戻すため、地表面から地球の深部へ送出される音波からの信号は、密なデータを生成し、そのような分野のために開発された技法は、一般的に、ソナー撮像の技術分野の当業者には知られていない、または使用されないことになる。
【００１６】
本発明の発明者による従来の発明(2018年2月28日に出願された米国特許出願第15/908,395号)は、例えば、遠隔操作船(ROV)中の、ビーム形成器セクションまたはデータ記憶装置システムに送信される、ソナー検出アレイからの生データの量を減少させる新規な方法を提供する。
【００１７】
上で識別された発明の最も好ましい実施形態は、生データを記録することと、ソナーピング生成器および検出器アレイとは別個の場所(トップエンド)に記録または伝送するために圧縮データ集合を提供することの両方のために、より高価なADC回路の代わりに、より安価なコンパレータ回路を使用する。最も重要なデータは、送出ピングパルスと比較される、反射されたソナーピングパルスの相対位相であることを本発明者が示している。本発明者は、位相図の4つの象限に対応する4つの可能な位相値を与え、アレイ中の水中聴音器の各々についての位相ベクトルの象限を判定する、1ビットの実部+1ビットの虚部のデータ(=2ビット)によって、撮像のための許容可能なデータを与える一方、電子機器、記憶装置、および伝送コストを減少させることができることも示している。本発明者は、位相図の上半分(正)または下半分(負)のいずれかで結果を与える、2ビットデータの虚部だけを使用することは、記憶および使用されるデータの量をさらに減らすために使用することができることも示している。
【００１８】
本発明は、従来の発明の技法を使用して結果をさらに改良し、さらなるフレキシビリティ、ならびに複数の同時ピング生成器および複数の検出器アレイの使用を可能にする。従来技術の、定常的な周波数のピングまたは周波数チャープピングを送出する代わりに、擬似ランダム周波数ピングが使用される。戻されるピングが送出ピングと畳み込まれると、畳み込みの最大値が、ビーム形成セクションに必要なデータを与えることになる。
【００１９】
様々な使用状況にとって最適な周波数送出パターンをどのように選択するのかを事前に示すのは困難である。実際、周波数が急に変わり、周波数がピングの期間中の異なる時間に急に増減するとき、周波数の概念は、むしろ誤解を招く恐れがある。通常、周波数は、信号中の極大の間もしくは極小の間の時間、またはより正確には、信号のゼロ交差の間の時間を計数することによって測定することができる。本開示では、ソナーピングの瞬間的な周波数は、長期間の平均圧力の周りで圧力が増減するときの2つのゼロ交差の間の時間の逆数として規定される。したがって、「正」および「負」の部分の各「サイクル」について規定される2つの周波数を有する可能性がある。本技術はアナログ電圧を測定せず、デジタルの0と1を(またはさらに有用には、1と-1を)比較するだけであるため、送出信号を、一連の、1と0または1と-1のいずれかとして考えることが有用である。例えば、次のストリング、
10101010101010101010101010101010101010101010
によって表される信号は、例えば375KHzのサイン波に対応し、一方次の信号、
1100110011001100110011001100110011001100…
は、その周波数の半分のサイン波に対応し、信号、
1010101010110011001100…
は、半分の周波数における2サイクルが続く、1周波数における5サイクルに対応する。
【００２０】
本発明者は、0と1のK個の組合せによって形成されるすべての可能なストリングがコンピュータ生成されること、それ自体との各ストリングの畳み込みは、本分野で見いだされる条件にとって最適化されたストリングの集合を作るための基準にしたがって、フィルタ処理されることを提案している。加えて、最適化された集合の中の各ストリングを、最適化された集合の中のすべての他のものと畳み込んで、その各々が他のもののいずれかと十分少ない数へと畳み込む、ストリングの部分集合を見いだすことができる。次いで、送出され受信された信号が重なり合うとき、そのようなストリングのグループが、複数の送信器および受信器で、ほとんどまたは全く干渉せずに使用される。
【００２１】
調査されるストリング中の任意の規則性または繰返しパターンが選択プロセスによって取り除かれること、選択された集合の中のストリングの1と0のパターンがランダムに現れることを、本発明者は、予想する。そのように生成されたパターンを擬似ランダムと規定する。というのは、基準を満たす有限の数のストリングが存在することになり、有限でない数が真のランダムとなることができるためである。本開示では、送出周波数のパターンは、擬似ランダムであると規定される。
【００２２】
周波数の擬似ランダムな集合の概念は、無線周波数送出波でうまく規定され、規定によって、周波数の擬似ランダムな集合は、許容できない干渉を他の送出パターンと起こさないように選択される。
【００２３】
本発明者は、例えば32、64、もしくは128など、または実際には、範囲、ノイズ、および利用可能な処理電力などの予想される条件に好都合な任意の数のKの値を予想する。
【００２４】
本発明では、好都合なスライス長lsは4cmであり、好都合なピング長lpは、375KHzの周りの範囲で変わる周波数を有する音波の、約12「サイクル」である。反射されたピング信号は、スライス時間tsおよびスライス長lsを有する一連のスライスへと細分される場合がある。
【００２５】
例として、0.1s毎にパルスを送出する。48×48個のアレイとして配置される2304個の水中聴音器のアレイがある。各水中聴音器は、トランスミッタの前の、音波が当たる容量から反射される、およそ375KHzの周波数がシフトする音波を受信する。
【００２６】
図2Aは、ソナーピング生成器12から送出される単一周波数のソナーピング圧力信号20のグラフを示す。
【００２７】
図2Bは、ピング生成器12、ピング受信器19、および物体14の相対的な位置のスケッチを示す。ピング生成器12が、時間t=0においてエネルギーTxのパルスを伝送する場合、この一部は、物体14(R0)によって反射され、時間t=t1において受信器Rxによってとらえられることになる。TxからR0へ、さらにRxへといたる距離は、伝送パルスと受信パルスとの間の時間t1に、媒体を通る音の速度(例えば、水=約1500m/s)を乗算することによって計算することができる。
【００２８】
範囲計算の精度は、受信信号中の背景雑音に対して伝送信号を識別する能力に依存する。そのため、時間t1について正確な測定値を得ることができる。図3は、電圧対時間として、3つの従来技術の信号波形を示す。曲線30は、定常的な周波数を表し、曲線32は時間で周波数が減少するチャープした周波数の波であり、曲線34は時間で周波数が増加するチャープした周波数の波を表す。
【００２９】
基本的に、送出信号に関連すると認識されるパターンを、受信信号中で探している。ノイズが存在しない場合、反射された波が検出器素子に戻るまで、時間の関数として何も見ないことになる。
【００３０】
単一の表面からの単一の反射では、送出したが、いくつかの大きい要因によって減衰される同じ信号を見ることになる。次に、反射物の範囲を計算するため、単に、音が往復するのにかかる時間を測定しなければならない。しかし、偽の反射などからの、ノイズおよび信号が存在する。送出パルスの始まりに対する受信パルスの正確な始まりを測定することも困難である。
【００３１】
アナログの世界では、一致するパターンを探索するために、探しているパターンの画像を、受信信号の画像に沿ってずらすことが望ましい。下で示されるように、デジタルファイルで同じことを行うことができる。
【００３２】
従来技術では、入ってくる信号の圧力変動からもたらされるアナログ電圧信号を、10ビットまたは12ビットのアナログ-デジタル変換(ADC)回路でデジタル化する。次いで信号が、入ってくる音波を表す虚部および実部を判定するために、四位相(Quadrature)エンコーダで処理される。入ってくる音波の相対位相は、検出器に垂直な表面と、入ってくる音波の向きとの間の角度にしたがって、検出器の面にわたって変わる。したがって、物体の方向は、相対位相パターンによって判定することができ、音が到達するのにかかる時間が、物体の範囲を与える。
【００３３】
本発明者は、伝送信号に対する入ってくる信号の位相の適切な測定値が、入ってくる信号のより高価なADC変換の代わりにより安価なデジタルコンパレータ回路を使用することによって有利に記録することができることを示している。10ビットおよび12ビットのデータの代わりに、回路は、1ビットまたは2ビットのデータで動作する。角度における精度が低下することは、より多くの検出器を有することによって補うことができる。
【００３４】
本発明では、反射された信号を検出器に戻すのにかかる時間を認識して測定するための最も好ましい方法は、1ビット畳み込み技法を使用することである。受信信号は高周波数成分を除去するためにフィルタを通過し、次いで、受信信号のブロックが、畳み込みウィンドウとして選択されて、送出信号に関係する知られている時間でサンプリングされる。送信信号が、K個の1ビット数(0または1)の数のデジタルストリングによって表されると仮定する。K個の送出デジタルストリングの各々が、受信信号中のM個の1ビットの数の畳み込みウィンドウ測定値と比較され、ここで、(M>K)である。
【００３５】
最初に、K個のデジタルストリング中の第1の数が、M個のデジタルストリング中の第1の数と比較される。数が一致する(両方0または両方1)場合、レジスタに1が加えられる。本プロセスは、さらに、M個の受信した数のストリング中のK番目の数が、送出ストリングの番号におけるK番目の数と比較されるまで、送出ストリング中のK個の数の各々について続く。各一致について、1がレジスタ中の数に加えられる。受信したストリング中の最初のK個の数が送出されたストリングのK個の数と一致した場合、レジスタ中の数は、Kということになる。受信したストリング中の最初のK個の数がK個の送出されたストリングの数と関係ない場合、レジスタ中の一致の推定値は、K/2の平均値を有する統計的な分布を有すると予想され、これは、2つのランダムな数が比較された場合に期待される結果となる。レジスタ中の数は記録され、レジスタはクリアされる。
【００３６】
次いで、本プロセスは、K個の数のデジタルストリング中の最初の数を、M個の数のデジタルストリング中の第2の数と比較すること、一致をレジスタに加えること、合計を記録すること、および送出ストリングの数におけるK番目の数が、受信したM個の数のストリング中のM番目の数と比較されるまで続くことによって繰り返される。
【００３７】
ここで、(M-K)個のレジスタ値のストリングを、1から(M-K)の整数の関数としてプロットすることができる。M個の数のストリング中のどこかにK個の数の完全な一致が存在する場合、レジスタ値のプロットは、何らかの整数値において、最大値Kを有することになる。送出信号の選択に応じて、グラフは、図4(A)に示される、均一な正弦波ピングについて示されるような三角形のピーク、または図4(B)に示される、チャープした信号についてのより急峻なピークを示すことができる。
【００３８】
図5に示されるように、音波が当てられる容量の中に複数の反射性物体(R0およびR1)が存在する場合、範囲を判定する問題が悪化する。物体R0とR1が伝送パルスの長さよりも互いに近い場合、受信信号は、部分的に、2つの反射のベクトル和からなることになる。一般的に、相対位相に応じて、受信正弦波信号に、0からただ1つの反射信号の4倍の強度におよぶ強度をもたせることができる、2つの反射間の位相差が存在することになる。送信信号が擬似ランダム周波数分布を有する場合、2つの同時に受信した信号の異なる部分が送信信号と畳み込みを行い、畳み込みグラフは、2つのピークを示すことになり、範囲における差異が解決可能となる。
【００３９】
複数の反射の問題に対する1つの解決策は、伝送パルスの長さを減らすことである。しかし、伝送パルスが短くなると、システムがノイズに対してより影響されやすくなる。
【００４０】
いくつかの信号は、他のものよりも良好な畳み込みを与える。1つの通常の技法は、「チャープ」、すなわち経時的に周波数を単調に変える信号を使用することである。この信号は、はるかに狭い畳み込みピークを与える。
【００４１】
図6(A)および図6(B)は、それぞれ正弦波パルスおよびチャープしたパルスについての畳み込み結果を示す。より複雑なパルスは、2つの近い物体についてより良好に範囲を分解することができる。「チャープ」は、複数の重なり合って反射された信号を識別することにおいてもより良好である。
【００４２】
送出信号が規則性を有するとき、様々な物体からの偽の反射、反射された波の反射などがデータとして読まれる場合がある。不幸なことに、パターンが「手動で」選択されるとき、規則性は気付くのが難しい。
【００４３】
本発明者は、探索物と干渉する可能性がある規則性がない、または少ない送出信号のパターンを見いだすことを提案する。本発明者は、K個の数の可能なストリングのうちの多数の第1の集合Sを探索し、基準にしたがってストリングの部分集合S1を選択することを提案する。集合Sの要素のうちの最も好ましい数は、0 0 0 0…で始まり、1 1 1 1…で終わる、長さKのすべての可能なストリングである。最も好ましい基準は、決められた差異の範囲を有する2つの反射物が区別可能となるべきものである。別の基準は、単一の反射を示す単一のピークの下での面積が決められた数より大きくなるべきものである。
【００４４】
S1の部分集合S2は、基準にしたがって選択される。1つの基準は、集合S2の任意の2つの要素の畳み込みは、互いに畳み込まれたとき、規定された数よりも小さい数を生成するべきであるというものである。集合S2の2つの要素のパターンが、同じ容量に音波が当てられるために、または一方の容量の中の物体からの反射を他方の容量を観測している検出器によって受信できる異なる容量に音波が当てられるために同時に送出される場合、信号は、干渉しない、または不適切な検出器で偽の信号を生成しないことになる。したがって、例えば、船舶は、各々が、受信信号中の異なるパターンを探すようにプログラムされる2つの検出器を保有することができる。単一のピング生成器が、異なる送出パターンの連続的な信号を生成することができ、したがって秒当たりにより多くのピングを送出することができる。異なるピング生成器を使用して、異なる方向にピングを送信し、同時により広い経路のスキャンを可能にすることができる。異なるピング生成器は、同じ区域に同時のパルスを送出することができ、2つの検出器が、同時だが異なる方向から同じ区域を「見る」ことになり、そのため、区域の3次元ビューを構築することができる。
【００４５】
図7は、以前で規定したような、増減する周波数のパターンを有する送出信号のスケッチを示す。図8は、その信号を、1と0のパターンとして示しており、0は、圧力が平均圧力より下である領域であり、1は、圧力が平均圧力より上である領域である。
【００４６】
図9は、10の値を有する送信信号Txが5ステップで受信信号Rxと比較され、各比較ステップについて、一致の数が記録されるスケッチを示す。
【００４７】
図10は、一致の数対整数ステップのプロットを示し、Tx信号とRx信号が一致する10の最大値を示す。一致の数のプロットは、Tx信号とRx信号が一致する最大値を示す。
【００４８】
伝送信号と受信信号の畳み込みは、相応の量のハードウェアを必要とする。例として、例えば、64の部分に分割される伝送信号があり、128の部分を有する畳み込みウィンドウを規定する。(畳み込みウィンドウは、全スライスがカバーされない場合、より多くの部分を有する場合がある。)128の畳み込みを行う必要がある(64のTxの値をRx(0..63)、Rx(1..64)、Rx(2..65)、…Rx(64..127)と一致させる)。
【００４９】
これは、受信素子毎に、64×64×(1つの乗算+1つの加算)である。反射物の方向を判定するために、複数の受信素子を有する場合には、TxからR0へ、さらにRx0へ、およびTxからR0へ、さらにRx1への異なる範囲を使用して、R0への方向を算出することができる。
【００５０】
各反射物の範囲および方向を算出するため、より多くの反射物、より多くの受信素子が必要となる。
【００５１】
エコースコープでは、2300個より多くの受信素子がある。5cmに範囲を分解しようと試みる場合、素子毎に毎秒約1500の畳み込みを行う必要がある。
=毎秒約350億の積和
【００５２】
典型的には、これらの種類の計算は、8〜16ビットの値を使用して行われ、このことには、多くのハードウェアおよび電力が必要である。
【００５３】
1ビットデータを使用する場合、否定排他的論理和(Negative Exclusive OR)1ビット乗算を使用して、乗算を効率的に行うことができる。
V0   V1   V0*V1   A   B   A nxor B
----------------------------------
-1   -1     1     0   0       1
-1    1    -1     0   1       0
1   -1    -1     1   0       0
1    1     1     1   1       1
【００５４】
累積(加算)の結果は、畳み込みにおけるlの計数の合計である。任意の畳み込みウィンドウサイズで、ビットパターンを選択するための基準は、選択されるビットパターンが最良の畳み込み結果を与えることである。
【００５５】
伝送信号と受信信号の畳み込みは、計算できる量のハードウェアを必要とする。64の値のTxで、128の値の受信信号Rxの畳み込みウィンドウ。128の畳み込みを行う必要がある(64のTxの値をRx(0..63)、Rx(1..64)、Rx(2..65)、…x(64..127)と一致させる)。これは、受信素子毎に、64*64*(1つの乗算+1つの加算)である。エコースコープでは、2300個より多くの受信素子がある。5cmに範囲を分解しようと試みる場合、素子毎に毎秒約1500の畳み込みを行う必要がある。
【００５６】
10cmのパルス長がある場合、約50サンプルの畳み込みウィンドウを有する必要がある。これは、約2300×1500×50×100×(1乗算+1加算)であり、
=毎秒約350億の積和
【００５７】
典型的には、これらの種類の計算は、8〜16ビットの値を使用して行われ、このことには、多くのハードウェアおよび電力が必要である。
【００５８】
理想的には、送出パターンは、狭い畳み込みグラフ(スパイクの下に大きい面積を有する狭い幅を有する明確なスパイク、ならびに複数の反射が存在する場合、複数の区別可能なスパイク)を与えるべきである。
【００５９】
明らかに、本発明の多くの修正形態および変形形態が、上の教示に照らして可能である。したがって、本発明は、具体的に記載されたものとは別の方法で、添付した請求項の範囲内で、実行できることを理解されたい。
【符号の説明】
【００６０】
10  船舶
11  水の表面
12  超音波ソナー生成器またはピング生成器
13  発信音波、音波
14  物体
15  海底
16  音波、反射音波
17  音波
19  多素子ソナー検出器、ソナー検出器、多素子ソナー検出器アレイ
20  単一周波数のソナーピング圧力信号
30、32、34  曲線
【図１】
2020046415.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
2020046415000001.pdf