宽带声纳接收器的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求于2011年10月26日提交的第61/551，875号和第61/551，890号美 国临时申请的权益，并要求于2012年3月6日提交的第61/607, 435号美国临时申请的权 益。这些申请的内容通过引用全部包含于此。
技术领域
[0003] 本发明主要涉及声纳，更具体地涉及一种宽带声纳接收器，并且涉及声纳信号处 理算法。
【背景技术】
[0004] 制造用于诸如探鱼的商业应用的调频声纳系统通常面临成本压力。因此，先进 的信号处理技术需要以高效的、成本效益好的方式来实施。例如，期望覆盖诸如25kHz至 255kHz的宽带频率范围提供诸如IkW的相对高的功率。低频适合深水操作，而高频在浅水 操作中提供了更好的分辨率。
[0005] 所接收的信号功率很大程度上随着声纳系统的操作深度而改变。从浅层目标反射 的声纳脉冲相对强。相反，由于深水反射的脉冲需要经过更大的距离，所以从更深层目标反 射的声纳脉冲相对弱。因此，在浅水和深水中均能操作的声纳接收器必须适应接收到的脉 冲功率的宽动态范围，诸如120dB。
[0006] 模拟数字转换器（ADC)需要20bit的分辨率，以直接获得这种大动态范围。在这 一点上，20bit的分辨率意味着ADC能够区分超过一百万个不同的振幅级别。这种高分辨率 ADC成本昂贵，因此不适于商业运作。
[0007] 对于宽带声纳系统来说，接收器的成本加剧。但还是期望宽带操作的原因在于， 诸如啁啾脉冲的脉冲压缩技术提供了增强的距离分辨率。在这一点上，声纳系统中的距离 分辨率是有效脉冲长度的函数。有效脉冲越短，距离分辨率越大。但是声纳性能还取决于 对接收到的声纳脉冲来说可实现的信噪比（SNR)。一般而言，对于发射脉冲来说能量越大， 则对于作为结果的接收到的脉冲来说SNR越大。因此实现更高的SNR和更短的脉冲长度彼 此冲突，对于具有给定的发射功率的声纳系统来说，SNR随着脉冲长度的降低而降低。
[0008] 脉冲压缩技术使得声纳系统在不牺牲SNR的情况下实现更精细的距离分辨率。为 了实现这个目标，可以跨过相对长的脉冲范围或长度对脉冲进行调频。例如，图1示出了接 收到的调频脉冲100的时域信号。如图1所示，如果调频为线性，则脉冲100 -般表示为啁 啾脉冲。然而，非线性调频或相位调制也可以用于实现脉冲压缩。
[0009] 在脉冲压缩声纳系统中，声纳接收器使复本脉冲（replicapulse) 105与接收到的 脉冲1〇〇相关。作为结果的检测峰110比最初的脉冲长度窄得多，因此表现出脉冲压缩效 果。在啁啾的实施例中，有效压缩的脉冲长度T'（由检测峰110的3dB宽度定义）等于1/ Af，其中Af是跨脉冲100调制的频差。所以有效脉冲变窄，但SNR仍然与最初的脉冲宽 度相对应。因此脉冲压缩方法是用于实现更大的距离分辨率的普及技术。
[0010] 脉冲100是未整形的，因为其在所有的频率上具有恒定振幅。声纳接收器中未整 形的脉冲与其复本的相关产生如图1中所示的相对高的振幅距离旁瓣（rangesidelobe)。 为了减少这些距离旁瓣，常见的是对诸如图2中所示的发射脉冲200和对应的复本脉冲205 进行振幅整形。作为结果的距离旁瓣比图1中未整形的情况更低，但该整形导致了较低的 发射脉冲功率，因此导致对于接收到的脉冲来说的较低的SNR。而且，距离旁瓣的减少需要 发射的信号与储存的复本之间高度保真。因此，因传播和反射导致的信号失真阻止了旁瓣 电平的显著改善。
[0011] 对于声纳系统来说，实现有效的脉冲压缩并仍具有良好的SNR并非唯一的挑战。 例如，探鱼声纳系统需要抵抗诸如背景噪音或来自其它声纳系统的信号的各种干扰。这些 干扰使区别底部回波的工作变得复杂并且遮蔽了所期望的鱼探测。为了解决干扰，比如因 水的质量、诸如浮游生物的悬浮颗粒物、以及温跃层检测导致的诸如杂波（clutter)，标准 处理方案采用所检测信号的时间平均值。然而，时间平均值针对这些问题的有效性非常有 限。
[0012] 因此，本领域需要改善的声纳系统，该声纳系统以低成本提供频率捷变性能和相 对高的功率。另外，本领域还需要改善的声纳系统，该声纳系统以低成本提供脉冲压缩和旁 瓣抑制。最后，本领域需要改善的声纳处理技术。
【发明内容】
[0013] 根据本公开内容的第一方面，提供了一种宽带声纳接收器，该宽带声纳接收器包 括：可选择的带通滤波器，适于对接收到的声纳信号进行滤波，以产生滤波信号（filtered signal);模拟数字转换器，用于对滤波信号的形式（version)进行转换，以提供数字化样 本；数字基带化和抽取段（decimationstage)，适于将数字化样本进行基带化以及进行抽 取，以产生接收到的声纳信号的基带样本；以及相关器，适于将基带样本与基带复本样本相 关，以提供相关彳目号。
[0014] 根据本公开内容的一个实施方式，本申请提供了 一种宽带声纳接收器，其特征在 于，所述宽带声纳接收器还包括：可变增益放大器，适于将时变增益应用到来自所述可选择 的带通滤波器的滤波信号，以产生所述滤波信号的可变增益放大的形式，从而作为所述滤 波信号的形式提供到所述模拟数字转换器。
[0015] 根据本公开内容的又一个实施方式，本申请提供了一种宽带声纳接收器，其特征 在于，所述相关器是可变长度的相关器。
[0016] 根据本公开内容的再一个实施方式，本申请提供了一种宽带声纳接收器，其特征 在于，所述接收到的声纳信号是调频信号，并且所述宽带声纳接收器还包括：复数到幅值 段，配置为接收所述相关信号并且提取所述相关信号的复相关结果的幂；以及对数段，配置 为基于所述复相关结果的被提取的幂提供检测的回波信号输出。
[0017] 根据本公开内容的再一个实施方式，本申请提供了一种宽带声纳接收器，其特征 在于，所述模拟数字转换器与所述可选择的带通滤波器耦接，并且按照分谐波采样速率进 行转换。
[0018] 根据本公开内容的再一个实施方式，本申请提供了一种宽带声纳接收器，其特征 在于，所述模拟数字转换器与所述可选择的带通滤波器耦接，并且按照所述调频信号的中 心频率4倍的速率进行转换。
[0019] 根据本公开内容的再一个实施方式，本申请提供了一种宽带声纳接收器，其特征 在于，所述相关器包括数字信号处理器DSP，所述数字信号处理器根据所述接收到的宽带声 纳信号的中心频率从多个滤波带中进行选择。
[0020] 根据本公开内容的再一个实施方式，本申请提供了一种宽带声纳接收器，其特征 在于，所述宽带声纳接收器还包括本地振荡器，所述本地振荡器与所述模拟数字转换器耦 接，以产生复合本地振荡信号，其中来自所述复合本地振荡信号的数字样本与所述数字化 样本相乘以产生混合样本，并且所述混合样本被低通滤波以产生基带化的样本。
[0021 ] 根据本公开内容的再一个实施方式，本申请提供了一种宽带声纳接收器，其特征 在于，所述接收到的声纳信号包括接收到的声纳啁啾信号，并且其中所述相关器包括：数字 信号处理器DSP，所述数字信号处理器与所述模拟数字转换器耦接，以至少实现所述相关 器，其中所述数字信号处理器还与所述宽带声纳接收器耦接，以用整形的复本脉冲FSRP的 频域形式来除所述接收到的声纳啁啾脉冲的频域形式以提供整形滤波响应，用所述FSRP 的共轭来乘所述整形滤波响应以提供结合的相关和整形响应，以及使所述频域形式与所述 相关和整形响应相乘以产生相关的且整形的信号。
[0022]