(57)【要約】【課題】ビーム形成されたデータをさらなる処理のために伝達する前に、新規な方法でビーム形成されたソナーデータを圧縮すること。【解決手段】ビーム形成したソナーデータは、データを記憶ステップに、またはさらなる処理ステップに伝達する前に圧縮される。圧縮してビーム形成したデータのビームのうちの少なくともいくつかは、少なくとも2つの異なる範囲についての値を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a)ある容量の流体に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1つまたは複数の物体を含む、ステップと、
(b)前記1つまたは複数の物体から反射されたソナー信号を受信するステップであって、前記ソナー信号が前記ある容量の流体の中に配置された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が、各ソナーピングについて生データの点の集合を生成し、生データの点の前記集合が、各ソナーピングについて、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対時間を測定する電気信号を含む、ステップと、
(c)さらなる処理のために各ソナーピングについての生データの点の前記集合を伝達するステップと、
(d)前記生データの点をビーム形成して前記1つまたは複数の物体からのソナー反射に関連する値を生成するステップであって、前記値が水中聴音器の前記大きいアレイの中心近くに原点を有する座標系で規定される多数のビームに関連し、各ビームが前記原点から外に向かって放射状に広がる空間の容積の中の隣接するボクセルの集合で規定され、各ビームが原点からの範囲とともに増加する断面積を有する、ステップと、
(e)前記ビーム形成したデータを前記一連のピングのうちの少なくとも1つについて圧縮するステップであって、少なくとも1つまたは複数の別個のビームにおける2つ以上のボクセルに値が割り当てられ、前記2つ以上のボクセルが前記原点から異なる範囲を有する、ステップと、
(f)前記圧縮したビーム形成したデータをさらなる処理のために伝達するステップと
を含む方法。
【請求項２】
水中聴音器の前記大きいアレイが、K×L個の素子を有する2次元平面アレイとして配列され、KとLの両方が24より大きい整数である、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記座標系が球面極座標系であり、前記多数のビームが重複しないビームであり、前記伝達されるビーム形成したデータが、ボクセルを各ビームの中および/または隣接するビームの中の隣接するボクセルと比較することによって圧縮される、請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記多数のビームが重複しないビームであり、前記ビーム形成したデータが、ボクセルを隣接するスライスの中の隣接するボクセルと比較することによって圧縮される、請求項3に記載の方法。
【請求項５】
前記座標系が球面座標系であり、前記多数のビームが重複しないビームであり、前記ビーム形成したデータが、ボクセルを前記一連のピングの中の前および/または後のピングからの隣接するボクセルと比較することによって圧縮される、請求項2に記載の方法。
【請求項６】
(a)ある容量の流体に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1つまたは複数の物体を含む、ステップと、
(b)前記1つまたは複数の物体から反射されたソナー信号を受信するステップであって、前記ソナー信号が前記ある容量の流体の中に配置された水中聴音器の大きいK×Lの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、各ソナーピングについて数Nのスライスの各々について生データの点の集合Sklnを生成し、各集合Sklnが(kが1からLにおよび、lが1からLにおよび、nが1からNにおよび)、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対時間を測定する電気信号を含む、ステップと、
(c)各水中聴音器からの前記生データを、隣接する水中聴音器からの生データならびに/または前および後続のスライスからの生データと比較することによって、各ピングについての前記生データを圧縮するステップと、
(d)圧縮した生データ点の前記集合をビーム形成して前記1つまたは複数の物体からのソナー反射に関連する値を生成するステップであって、前記値が水中聴音器の前記大きいアレイの中心近くに原点を有する座標系で規定される多数のビームに関連し、各ビームが前記原点から外に向かって放射状に広がる空間の容積の中の隣接するボクセルの集合で規定され、各ビームが原点からの範囲とともに増加する断面積を有する、ステップと、
(e)前記ビーム形成したデータを前記一連のピングのうちの少なくとも1つについて圧縮するステップであって、少なくとも1つまたは複数の別個のビームにおける2つ以上のボクセルに値が割り当てられ、前記2つ以上のボクセルが前記原点から異なる範囲を有する、ステップと、
(f)前記圧縮したビーム形成したデータをさらなる処理のために伝達するステップと
を含む方法。
【請求項７】
ステップ(c)において、各水中聴音器についてのデータを、各ピングの少なくとも1つのスライスの中の隣接する水中聴音器からのデータと比較することによって、前記生データが圧縮される、請求項6に記載の方法。
【請求項８】
ステップ(c)において、各水中聴音器についてのデータを、各ピングの少なくともいくつかのスライスで、水中聴音器についての隣接するスライスからのデータと比較することによって、前記生データが圧縮される、請求項6に記載の方法。
【請求項９】
ステップ(c)において、各水中聴音器についてのデータを、前記一連のピングの中の前および続くピングからの隣接する水中聴音器からのデータと比較することによって、前記生データが圧縮される、請求項6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、表面から散乱され、水中聴音器の大きいアレイで測定されたソナー信号からのデータの視覚化の分野である。
【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、2018年2月28日に出願された第15/908,395号、2018年4月14日に出願された第15/953432号は、やはり本出願に関係する。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】
【０００３】
ビーム形成されたデータをさらなる処理のために伝達する前に、新規な方法でビーム形成されたソナーデータを圧縮することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
音波を当てられたある容量の液体の中の物体から反射されたソナー信号の位相および強度を含む生のソナーデータが、大きいアレイの表面にわたる位相および強度の形式での生データを戻す、水中聴音器の大きいアレイによって測定される。生データは、大きいアレイに対する物体の強度、範囲、および角度位置などのデータをもたらすようにビーム形成される。ビーム形成したデータを圧縮する従来技術の方法は、ビーム形成したデータ中の各ビームについて、単一の範囲および値をもたらし、多くの潜在的に価値があるデータを捨てる。本発明は、少なくともいくつかのビームについて1つより多い範囲が戻されるようにビーム形成したデータを圧縮する方法を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】ソナー機器の配置を示すスケッチである。
【図２】単一のボクセルを有する3次元極座標系を示すスケッチである。
【図３】3次元空間で規定されるビームを示すスケッチである。
【図４】本発明の方法のフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
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。
【０００７】
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波のソナー信号パルスが送出され、ソナー信号パルスは、およそ円錐形のある容量の水に音波を当てる。
【０００８】
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。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)。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、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。好都合な発信ピング長lpは約4cmである。
【０００９】
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、大きい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、大きい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対時間を測定し、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。電気電圧信号は、各ピングの送出音波の位相に対して正確に知られている時間で、デジタル的にサンプリングされる。大きいアレイの多素子検出器は、好ましくは、24×24個以上のソナー検出器素子で構築される。より好ましいのは、少なくとも48×48個の素子を有する多素子検出器である。少なくとも64×64個の素子を有する多素子検出器が最も好ましい。
【００１０】
そのような大きいアレイのソナー検出器により生成されるデータの量は、通常多すぎるので、アレイ検出器から水面の船舶に伝送すること、または後で分析するために記憶することのいずれもできない。
【００１１】
ピング生成器とソナー検出器が互いに近い場合、第1の反射したピング信号は、ピングが、ピング生成器から、音波を当てられた容量の中の最も近い物体に進行するのにかかる時間の約2倍で検出器に到達する。対象の最も遠い物体からの反射音が検出器に達するまで測定は続く。全測定時間を、各々が(所望の範囲解像度と一致するように設定される)スライス距離および対応するスライス時間tsを有する、一連のスライスへと好都合に細分することができる。
【００１２】
各素子からのアナログ電気電圧信号は、デジタル化され、各時間スライスについて、多素子検出器の各検出器における、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】
マスタ発振器矩形波は(周波数fで動作しているが)、マスタ発振器矩形波のエッジに対して周波数4fのタイミングでパルスを提供するために使用される。そのため、各検出器における受信信号は、マスタ発振器の位相0度、90度、180度、および270度でサンプリングされる。マスタ発振器に対する、0度および180度におけるサンプルは、反射音波の位相の実部を与え、90度および270度におけるサンプルは、虚部を与える。実部と虚部の平方の和が、各個別検出器における音波の強度を与える。従来技術では、音波の圧力を、10ビットまたは12ビット精度でサンプリングする。
【００１４】
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。好都合なスライス長lsは4cmであり、好都合な伝送パルス長lpは約12cmである。各時間スライスは、t1からtnと番号をつけられる。水中の音の速さが毎秒1500メートルであるとき、375KHzの好都合なソナー周波数は、約4mmのソナー波長を与える。したがって、各スライスについて、反射されたソナービームの約10の波長が測定され、その時間スライスについて各検出器によって測定される反射された波の位相および強度を与える1つの10ビットまたは12ビットの虚数を生成するためウィンドウ処理される。
【００１５】
デジタル化したデータは、次いで、音波が反射されなければならなかった3次元空間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。これらの点は、最も好ましくは、検出器の平面に関する、範囲および2つの直交する角度の関数として、3次元空間極座標で表される。図2は、座標系の図を示しており、ここで、横寸法δr、rδθ、およびrδφ(ここで、θおよびφはラジアンで測定される)を有する長さδrの1つのボクセルが示され、ボクセルatは、原点から範囲rおよび2つの直交する角度座標θおよびφに配置される。図は、多数のボクセルの集合Sへと分割された対象の空間の体積を示す。
【００１６】
データをビーム形成することによって、各ボクセルについての値を記録する。値は、好ましくは、空間中のその点から反射され、検出器のアレイで測定される信号ソナー信号の強度である。
【００１７】
本明細書では、ビームは、図3にスケッチされた接触しているボクセルの集合Sの部分集合Sθφとして規定され、ここで、θ、φ、δθ、およびδφは、各ビームについて固定され、rは整数1からNにおよぶ。集合Sθφによって表される従来技術のビームは、長さNδrを有する集合Sθφによって表され、同じ長さδr、および増分値rδθおよびrδφのボクセルを有する。したがって、ビームの面積は、ビームが原点から遠ざかれば連続的に増加する。見やすくするために、図3のビームは、画像をより明瞭にするため過大に示されている。48×48個の検出器の大きいアレイを有する典型的なセットアップでは、典型的な視野は、検出器面の垂線に対して、およそ+/-22.5度となる。48×48個の検出器からのデータは、図3に示されるおよそ20×20のビームの代わりに、128×128のビームへと変えられることになる。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
以前に提出された、すなわち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を減少させ圧縮するために使用される。ビーム形成器は、ソナー検出器の大きいアレイを使用する従来技術では、大きいアレイの各素子における位相および振幅情報の形式で反射音波についての未圧縮生データを受信する。ビーム形成器は、次いで、検出器アレイの各検出器および各時間スライスによって測定された位相および強度の生データを生成することになる空間中の点を計算することになる。時間スライスが範囲を与え、位相データが角度を与える。
【００２１】
ソナー検出器の大きいアレイでスキャンするソナーの従来技術では、従来技術は、この明細書で規定されるように、各ビーム中の1つのボクセルだけから、強度データおよび範囲数を伝送することによって、ビーム形成したデータを圧縮する。このデータ圧縮は、元データを与えるために逆にすることができるデータ圧縮と規定される可逆的データ圧縮ではない。むしろ、データは、128×128のビームの各々における単一のボクセルに対し、1つまたは複数の値をもたらすように、極めて圧縮される。
【００２２】
通常は、極座標系の2つの直交する角度の任意の特定の値について、単一の値の範囲を与えるために、「第1超閾」(FAT, first above threshold)強度信号、または最大強度(MAX)信号が選択されることになる。FAT信号の閾値を設定することによって、例えば、柔らかい組織を有し、金属物体または海底よりも反射率が低い魚からの信号を無視することができる。次いで、例えば、同じビームの他の範囲から戻される強くない信号が無視される場合、大量のデータを捨てることになる。
【００２３】
本発明は、データをさらなる処理のために伝達する前にビーム形成されたデータを圧縮するため、ビーム形成されたデータにおける規則性を使用することによって、従来技術を改善する。例えば、同じビームおよび隣接するビームにおける、隣接するボクセルおよび次に隣接するボクセルからのデータが、特定のボクセル中の信号を増加または減少させるため、有利に比較される。この圧縮技法は、データは、各スライスについて同時に記録され、スライス毎にミリ秒離れるだけであるため、機能する。そのような圧縮技法では、例えば、値を含むボクセルを周りのボクセルと比較することによって、ノイズデータを捨てることが可能になる。または、いくつかの隣接するボクセルにおけるデータがグループ化され、点毎にデータを送信するよりも、グループを記載するのにより少ないビットが必要になることになる。上で述べたような圧縮技法により生成されたデータの減少によって、ビーム毎におよそ1つより多いボクセルでデータを伝送することが可能になる。従来技術のMAXまたはFAT技法の代わりに上述の圧縮技法を使用することによって、許容可能な時間で利用可能なデータチャネルを通して有用なデータを伝達することが可能になり、少なくともいくつかのビームについて1つより多い範囲からの値を伝達することが可能になる。この方法では、一方が他方より検出器からさらに離れている2つの物体は、より近い物体がビームを完全には妨害しない場合、またはより近い物体がソナーエネルギーの一部を伝送する場合、検出することができる。
【００２４】
別の発明性のある圧縮ステップでは、定常的なδrからrで増加する範囲における変化への従来技術の場合、ボクセル間のδrの範囲で定常的な変化が変わる。ボクセル間の範囲における変化がkrであるように、無次元数kが選択される。kは、好ましくは、δθおよびδφとほぼ等しいように選択される。従来技術では、r2のように変化する各ボクセルの容積は、ここではr3のように変化し、同じ容積の空間を記述するのに、より少ないボクセルが必要である。
【００２５】
図4は、本発明の方法のフローチャートを示す。ステップ40は、規定された容積の空間に音波を当てるためのソナーピング信号、および受信したソナー反射信号の位相を規定するための時間信号を送出する。ステップ41では、非常に大きいソナー受信器アレイで、反射されたソナーピング信号のアナログ圧力対時間が受信される。ステップ42は、ソナー受信器アレイの各素子からの、圧力信号を、アナログ電気電圧対時間信号に変える。ステップ43は、ステップ40の受信した時間信号によって決定される時間において、アナログ電気電圧をサンプリングする。アナログ-デジタル回路は、送出信号周波数が0、90、180、および270度の位相を有する時間にサンプリングした、10ビットまたは12ビット精度の値を与える。0度および180度で判定される数は実部を決定し、0度および180度でサンプリングされる数は反射信号の虚部を決定する。規定によって、位相および強度は、各水中聴音器についての送出信号の位相と比較した、反射されたソナー信号の位相および強度の生データを構成する。判定ステップ44において、生データは、ビーム形成ステップ45に直接、または生データ圧縮ステップ47に送信される。生データは、従来技術でのように、ステップ45でビーム形成される。本発明の発明性のあるステップは、ステップ46で行われ、圧縮ステップでは、値を有する単一のボクセルが各ビームについて戻される従来技術の圧縮ステップの代わりに、値を有する、ビーム毎に1より多いボクセルを戻す。ステップ46から、圧縮されたビーム形成したデータは、ソナーアレイから、トップサイド撮像システム、トップサイド記憶装置、またはソナー受信アレイを保有する遠隔操作船中の記憶装置に伝達される。ステップ47は、上述した、関係する米国特許出願中に記載されるように生データを圧縮する。ステップ48は、ステップ45と同じ方法で圧縮した生データをビーム形成し、少なくともいくつかのビームについての範囲および値を有する1つより多いボクセルを有するビーム形成したデータが、伝達ステップ50にわたされる。
【００２６】
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】
【００２７】
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  発信ピングの発信音波
14  物体
15  海底
16  反射音波
17  音波
19  多素子ソナー検出器アレイ
【図１】
2019200197.tif 000003
【図２】
2019200197.tif 000004
【図３】
2019200197.tif 000005
【図４】
2019200197.tif 000006
【外国語明細書】
2019200197000001.pdf