专利名称：用相控阵换能器进行声波多普勒速度处理的系统和方法
技术领域：
本发明涉及速度测量系统，特别是，涉及声学多普勒水流剖面仪，其它水下装置例如多普勒计程仪，和雷达应用。
背景技术：
水流剖面仪是一种声纳系统，用于在变化的距离中远程测量水的速度。水流剖面仪用于例如河流、湖泊和港湾的淡水环境，也用于例如海洋的咸水环境中，以研究水流速度的影响。在各个领域，例如天气预报，营养物的生物研究、污水扩散的环境研究，以及包括石 油在内的自然资源的商业开发中，精确测量水流速度都是很重要的。典型地，水流剖面仪对于在上至最大距离的水的每个深度“单元”中，测量水的垂直体积的流速，这样产生水的速度的“剖面”。一般的剖面仪系统包括换能器，以生成声音的脉冲(其在下变频为人类听觉频率时听起来像“砰”)，其从水中的浮游生物、小颗粒、以及小型的不同类的东西作为回声反向散射。类似地，底部跟踪多普勒速度计程仪从底部表面接收反向散射的回声。接收的声音具有与散射物和换能器之间的相对速度成比例的多普勒频移。通过下述方程可以简要说明从该多普勒频移确定单个速度矢量的分量Vx的物理现象Vx =方程1在方程I中，c是声音在水中的速度，大约是1500米/秒。这样，通过获知发送的声音的频率，fT，以及发射机换能器的偏角，Θ，并通过测量从单个窄带脉冲接收的频率，多普勒频移，fD，就可以确定一个速度矢量的分量。通过减去船只地面参考速度，Ve的测量值，可以确定测量的水平“切片”或深度单元的相对速度。通过无论海底何时到达声纳距离内都对其进行回声测距，或者通过导航系统例如LORAN或GPS来测量地面参考速度。图Ia和Ib示出了示例性的水流剖面，其中北面和东面的水流速度(Vx，Vy)示出为深度单元的函数。在一些结构中，水流剖面仪构造为四个分散的换能器的组件，该四个分散的换能器围绕电子器件外壳彼此间隔90°方位角。该换能器布置在本技术领域公知为Janus结构。假设水流在垂直于换能器的交互轴的平面上是均匀的，那么一个具有三个波束的系统允许测量三个速度分量，Vx, Vy和Vz (在海洋学文献中分别识别为U，V, w)。但是，使用四个波束经常是为了冗余和可靠性。水流剖面仪系统可以连接至船只的船体上，保持在静止的浮标上，或者像图2中示出的水流剖面仪10 —样系泊在海底。水流剖面仪受各种因素综合控制，其中该各种因素包括最大剖面距离和时间，空间(深度单元的尺寸)，以及速度分辨率。时间分辨率是指实现具有所需精度的速度估计值所需要的时间。在典型的应用中，水流剖面仪将进行一系列测量，然后将它们在一起平均以产生单个速度估计值，且其具有可接受的速度方差，或平方差。在一些应用中，在观测中偏差比方差更受关注。偏差是测量的速度和实际速度之间的差值。例如，它由频带受限的系统组件的不对称性引起。甚至在长期平均已经将方差减小至预定可接受的限值时，测量偏差还存在。例如，偏差支配典型地出现在测量大规模的特征上，例如温度和盐度界面上出现的那些特征。除了水流剖面仪外，还有许多其它的速度测量系统。一些示例是雷达系统、空气流测量系统、以及其它水下仪器，例如测量汽车或船只相对于水体表面或底部的速度的多普勒计程仪。所有这些速度测量系统具有很广范围的应用，利用和/或修改这些类型的设备的特性使得它们的特征能够被开发以改进现有产品和产生还未开发的新产品，这对于本领域来说是有益的。
发明内容
本发明的系统、方法、和设备每个都具有几个方面，这几个方面中没有一个可以单独承担起想要出现的属性。在不限制本发明保护范围的情况下，现在将简要讨论其较显著的特征。一方面，具有一种利用测量系统测量流体介质速度的方法，其中该测量系统包括换能器。该方法包括发送第一组的一个或多个信号，其中该信号的带宽基本宽于测量系统的带宽，从第一组信号接收回声；至少部分基于第一组信号的回声而获得第一速度估计值；发送第二组的一个或多个信号，其中该信号的带宽基本等于或窄于测量系统的带宽；从第二组信号接收回声；至少部分基于第二组信号的回声而获得两个或更多可能的速度估计值；以及基于第一速度估计值，从可能的速度估计值中选择一个。在另一方面，具有一种构造为测量速度的系统。该系统包括换能器，其构造为发送第一组的一个或多个信号和第二组的一个或多个信号，以及从第一和第二组信号中接收回声信号，其中第一组的一个或多个信号的带宽基本宽于系统的带宽；第二组的一个或多个信号的带宽基本等于窄于所述测量系统的带宽。该系统进一步包括处理模块，以部分基于第一组信号的回声而获得第一速度估计值，以及至少部分基于第二组信号的回声而获得两个或更多可能的速度估计值，并基于第一速度估计值而从可能的速度估计值中选择一个。在另一方面，具有一种构造为测量速度的系统。该系统包括用于发送第一组的一个或多个信号的装置，其中该信号的带宽基本宽于测量系统的带宽；用于从第一组信号接收回声的装置；至少部分基于第一组信号的回声而获得第一速度估计值的装置；用于发送第二组的一个或多个信号的装置，其中该信号的带宽基本等于或窄于测量系统的带宽；用于从第二组信号接收回声的装置；至少部分基于第二组信号的回声而获得两个或更多可能的速度估计值的装置；以及基于第一速度估计值，从可能的速度估计值中选择一个的装置。在另一方面，具有一种利用相控阵换能器测量流体介质速度的方法。该相控阵换能器包括多个换能器元件，其布置为形成单个的二维阵列。该方法包括接收由换能器生成的多个波束的回声，至少部分基于该回声，计算初步速度估计值；以及从初步速度估计值中基本去除与第一速度相关的偏差。第一速度垂直于二维阵列的表面。 在另一方面，具有一种利配置成测量速度的系统。该系统包括相控阵换能器，该相控阵换能器包括多个换能器元件，其布置为形成单个的二维阵列，其中该换能器被配置为生成多个波束并接收这些波束的回声。该系统进一步包括处理模块，配置为至少部分基于这些回声来计算粗略的速度估计值，以及从初步速度估计值中基本去除与第一速度相关的偏差。第一速度垂直于二维阵列的表面。在另一方面，具有一种构造为测量速度的系统。该系统包括用于生成多个波束并接收波束回声的装置，其中该装置包括相控阵换能器，该相控阵换能器包括多个换能器元件，其布置为形成单个二维阵列。该系统进一步包括至少部分基于回声计算初步速度估计值的装置；以及用于从初步速度估计值基本去除与第一速度相关的偏差的装置。第一速度与二维阵列的表面垂直。在另一方面，具有一种利用换能器测量流体介质速度的方法。该方法包括发送声信号，其中该声信号包括N(其中N是整数并且N > I)个用于多个波束中每一个的脉冲信号，从每个脉冲信号接收回声，基于脉冲信号的回声，获得N个脉冲信号中每一个的速度估计值，以及基于N个速度估计值的总和计算速度，使得该速度中基本没有由于波束之间的 交叉耦合引起的误差。在另一方面，具有一种构造为测量速度的系统。该系统包括换能器，用于发送声信号和接收每个脉冲信号的回声，其中声信号包括N(N是整数并且N > I)个用于多个波束中每一个的脉冲信号。该系统进一步包括处理模块，其构造为基于脉冲信号的回声获得N个脉冲信号中每一个的速度估计值，并且基于N个速度估计值的总和计算速度以基本消除由于波束之间的交叉耦合引起的误差。在另一方面，具有一种构造为测量速度的系统。该系统包括用于发送声信号的装置，其中该声信号包括N(其中N是整数并且N > I)个用于多个波束中每一个的脉冲信号，用于从每个脉冲信号接收回声的装置，基于脉冲信号的回声，获得N个脉冲信号中每一个的速度估计值的装置，以及基于N个速度估计值的总和计算速度的装置，使得速度中基本没有由于波束之间的交叉耦合弓丨起的误差。
图Ia是示例性水流剖面的散点图，用于示出作为深度的函数描绘的东面的速度矢量，图Ib是示例性水流剖面的散点图，用于示出作为深度的函数描绘的北面的速度矢量;图2是泊系在海底的水流剖面仪的一个示例的透视图；图3是用于说明由水流剖面仪的不同实施例发送的脉冲的脉冲图示，该不同实施例包括脉冲不相干多普勒系统、脉冲相干多普勒系统、宽带多普勒系统和编码脉冲多普勒系统；图4a，4b，4c是几组编码脉冲的图示，用于说明宽带多普勒系统和编码脉冲多普勒系统的示例性发射编码；图5是用于说明二维换能器阵列的一个实施例的框图，其是图2的水流剖面仪10的一个实施例的一部分；图6a和6b说明了前述图5的具有相移波束形成器的二维阵列的运行；图7示出了图6b的“Y轴发、射波束形成器”的详细视图，用于说明波束形成器如何同时发送两个波束；图8是透视图，用于说明四个声波波束的结构示例，其中该四个声波波束相对于阵列法线(即Z轴)倾斜，并位于与图5的换能器阵列的阵列表面平面(即，X-Y平面)垂直的两个平面内；图9说明了图5的换能器阵列的一个实施例的顶视图；图10是用于说明多层结构的图5中换能器阵列的一个实施例的三维视图；图11是用于说明ADCP 10的一个实施例的功能框图，其包括图5的二维换能器阵列；图12a和12b说明了测量速度中要发送的编码序列的两个示例的比较；图13a和13b在时域和频域说明了编码元素的两个示例的比较；图14a和14b分别说明了用于宽带宽和窄带宽速度估计值的要发射的信号的示例；图15a和15b分别说明了宽带宽和窄带宽速度估计值以及模糊分辨率的过程；图16是用于说明适于和相控阵换能器一起使用的速度处理方法的实施例的流程图，其使用了宽带宽发射以分辨在估计窄带宽速度中的模糊；图17是用于说明速度处理方法的一个示例的流程图，其基本去除了由速度估计值的垂直分量引起的偏差；图18a和18b说明了将接收的信号的相位函数外推至每个波束的标称滞后时间的操作；图19说明了速度处理方法的一个实施例，其基本从速度估计值中去除了交叉耦合的旁瓣误差；图20a，20b和20c示出了可以用在速度处理方法中的编码脉冲的三个示例；图21是用于说明一组信号编码的一个示例的表格，其中该一组信号编码可以通过图19的方法发射；图22说明了与图21中波束I的脉冲信号1_4相关的信号编码的格式。图23a和23b说明了一个方案的两个示例，用以在连续的编码序列之间生成90°
相位增量/减量。
具体实施例方式本发明的各种方面和特征将结合前述附图，从下面的描述和后附的权利要求中变得更显而易见。在附图中，相同的附图标记指示相同的或功能相似的元件。在下面的描述中，给出详细的描述以提供对所公开的方法和装置的完全理解。但是，本领域普通技术人员可以理解，在没有这些特定细节的情况下，也可以实施该公开的系统和方法。例如，以框图的形式示出电气元件是为了不让非必要的细节掩盖某些方面。在其它例子中，可以详细地示出该组件、其它结构和技术以进一步解释某些方面。也应当注意，某些方面可以被描述为过程，其被描绘为程序框图、流程图、结构图或框图。虽然程序框图可以将操作描述为连续的过程，但是许多操作可以并行或同时执行，并且该过程可能重复。另外，操作的顺序可能重新安排。当一个过程的操作完成时，该过程终止。一个过程对应于一个方法、函数、程序、子例行程序、子程序等。当一个过程对应于一个函数时，其终止对应于该函数返回至调用函数或主函数。该描述将针对水流剖面仪的情况给出，但是其他速度测量系统，例如多普勒速度计程仪，也都有这些一般特性。下述的速度处理方法的各种实施例可以应用于水流剖面仪和其它速度测量应用中。水流剖面图Ia是示例性水流剖面的散点图，用于示出描绘为深度函数的东面的速度矢量。图Ib是示例性水流剖面的散点图，用于示出描绘为深度函数的北面的速度矢量。图Ia和Ib的散点图中描述的示例性水流速度剖面是一种信息，其也是水流剖面仪的目标。图2是泊系在海底的水流剖面仪的一个示例的透视图。水流剖面仪10是半永久泊系在海底12的。在该种剖面仪部署中，水流剖面的记录典型地存储在位于水流剖面仪10内部的非易失性存储器(未示出)中。如图2示出的水流剖面仪10生成一组从换能器发出的声波波束14a、b、C、d。水流剖面仪10向上观察，即声波波束14垂直指向海洋表面。每个波束14 “照亮”一个水柱，其可以被分解为公知为距离或深度单元的水平切片，该单元例如由16指示的单元。通过恰当发送和接收声音脉冲，计算脉冲回声之间的相移。然后，将相移逐步变换为多普勒频率、沿着波束14的速度，然后是一个或多个正交的水流速度分量，例如由18a、b指示的。水流剖面仪10的换能器可以以各种方式实现。在一个实施例中，水流剖面仪10包括由四个分散的换能器组成的组件，其中该四个换能器围绕电子外壳彼此间隔90°方位角。该换能器布置在技术上公知为Janus结构。在一些实施例中，水流剖面仪10包括二维换能器阵列，其将在图5中详细描述。该水流剖面仪10除图2中示出的方式外还可以其它方式部署，例如包括在固定或移动的平台上，或在表面、底部、或中等深度的停泊处，向下、向上或其它有角度观察的各种组合。各种多普勒测量技术图3是用于说明通过水流剖面仪的不同实施例发送的脉冲的脉冲图示，该不同实施例包括脉冲不相干多普勒系统，脉冲相干多普勒系统，宽带多普勒系统和编码脉冲多普勒系统。图3以示意性形式提供了多个在声学多普勒水流剖面仪(ADCP)中使用的不同的多普勒测量技术。在第一种技术中，示出了脉冲不相干ADCP换能器20在时间t产生脉冲22。定制单个要发送的脉冲22的大小以符合相关的深度单元。在穿过深度单元后，在时间t加上与脉冲的长度(Lpulse)相等的时间处，示出了脉冲22，其移动至如24所指示的新位置。取决于每个深度上散射的密度，脉冲22可以在每个深度单元产生回声(未示出)。基于发送脉冲和接收理想的回声之间的预定的滞后时间，在理想的深度单元测量水流速度。脉冲不相干ADCP通过测量返回的回声频率中的多普勒移动，来测量水流速度。每个脉冲的回声独立使用。从接收的信号的两个不同采样之间的差值，间接计算多普勒频率。术语“不相干”是指在脉冲之间不必保持相干的事实。在图3中，脉冲相干ADCP换能器26示出为发送脉冲28。脉冲28比脉冲不相干系统中的脉冲22的持续时间短(深度分辨率更强)。和脉冲不相干多普勒系统一样，在发送下一个脉冲30之前，每个单个脉冲的回声允许返回至换能器26。但是，和脉冲不相干系统不一样，脉冲相干系统的基本测量值是在相同深度处的两个连续回声之间的相位变化。术语“相干”是指在脉冲之间需要保持相干的事实。在一些实施例中，脉冲相干ADCP发送一系列短脉冲，其中在发射的序列上保持相位相干。图3也说明了由宽带ADCP换能器32产生的脉冲。宽带方法与脉冲不相干或脉冲相干方法的不同之处在于宽带方法同时利用波束(或等价物)中的两个(或多个)脉冲，例如34a和34b指示的脉冲。在图3中，脉冲由等于脉冲间隔的滞后时间，LI分隔。在经过一段距离，并且回声返回至换能器32之后，利用自相关函数测量相同距离处的脉冲回声之间的相位变化。和脉冲相干的方法不同，宽带水流剖面仪的最大剖面距离不限于脉冲重复间隔。脉冲长度，或宽度，典型地比深度单元尺寸短很多，这样产生了大时间带宽积(术语“宽带”)。时间带宽积是平均时间和脉冲带宽的乘积。图3进一步说明了由编码脉冲宽带ADCP产生的脉冲。换能器38产生脉冲40a、b，其通过水来传播，例如由后来的脉冲41a、b示出。每个脉冲40包括四个大小相等的编码元素42a、b、C、d，每一个编码元素包括一个或多个要发送的声波波形的周期(或周期的一 部分)。编码元素42代表相位编码，使得每个元素要么是O度相位要么是180度相位。虽然在图3中仅示出了两个编码脉冲，但是该方法可以推广到包括多于两个的脉冲。对于编码脉冲ADCP来说，相位变化的测量与之前讨论的宽带方法的测量相同。但是，另外，伪随机相位编码适用于允许使用更长的脉冲而不会降低带宽的脉冲。更长的脉冲增加回声功率，这样延迟了与更大距离解相关的信号，并延长了系统的有用的剖面距离。该编码脉冲可以和深度单元的尺寸一样大。如果脉冲分隔或滞后时间LI等于脉冲长度，那么脉冲就组合为一个单个的连续的编码发送。图4示出了具有不同长度的“理想的”编码脉冲的三个示例，其中该编码脉冲由编码脉冲宽带ADCP产生。每个图(图4a、b、c)对应于一个脉冲，或脉冲信号。由于换能器和功率放大器的有限带宽，因此注入水中的实际波形与图4中描绘的稍有不同。因此，在对应的实际波形中，在相位反向后有很短的恢复时间。图4a包括通常由44a_j指示的一系列编码元素的三个不同的表示。第一个编码表示是通常由46指示的发送波形。每个编码元素44是载波信号的四个周期的集合。180度相移可能出现在编码元素44之间，例如，由编码元素44a和44b之间的跳变示出。图4a的示例性脉冲具有M= 10个编码元素44，其中首先的五个编码元素44a-e反向并由最后的五个编码元素44f-j重复，以实质上将两个脉冲组合为连续的波形46。将第二个脉冲例如编码兀素44f-j反向对于减少噪声偏差是有用的。这样，对于波形46来说，在利用滞后时间反向之后，在首先的五个元素44a_e和最后的五个元素44f-j上执行自相关函数(将在下面进一步讨论)，其中滞后时间等于发送五个编码元素的时间。在某些情况下，特殊应用中编码元素的数量将与深度单元的大小匹配。脉冲编码也可以以二进制形式表示，其由通常由图4a中47指示的编码序列示出。编码序列47以由两比特限定的每个编码元素44为基础。最高有效位(BI)指示在编码元素44的持续时间中发送器是开(I)还是关(O)。最低有效位(BO)指示编码元素44的相位，“O”指示0°，“I”指示180°。当BI是值“O”时，BO的值是什么没关系。编码序列47示出了二进制编码的十进制等价形式。例如，编码元素44a，在编码序列47中定义为“2”，意思是发送器为开，编码元素44a是O度相位。相位波形48提供了和发送波形46以及编码序列47相同的基本信息，但是它以方波的形式表达。图4b示出了编码脉冲，其与图4a的不同在于脉冲为两倍长(M = 20)。图4b中首先的十个编码元素44与图4a中的编码元素44相同。最后十个编码元素44’是首先的十个的重复。这样，两个脉冲44，44’组合为一个单个的发送波形，其具有和发射十个编码元素相等时间的滞后时间。图4c示出了编码脉冲，其与图4b的不同在于脉冲更长(M = 30)，这是由于在两组十个要发送的编码元素44、44’之间放置了十个编码元素的死区。这样，滞后时间等于二十个编码元素。多普勒频率中的短期误差(即方差)与脉冲间隔成反比。距离分辨率由编码脉冲的长度确定。在一些实施例中，认真选择编码，以从自相关函数中的中心峰值和旁瓣噪声中消除偏差。通过将第二个脉冲，例如如4a所示，倒转为要发送的脉冲信号的一半，那么中心峰 值噪声被有效消除。采取下述步骤来消除旁瓣噪声(I)使用在ー个滞后时间与侧峰的每侧自相关为零(在这里进行相位測量)的编码，(2)使用在侧峰附近具有最小旁瓣的编码，其中该旁瓣围绕侧峰对称布置，以及(3)成对互补，或者Golay，在连续的脉冲信号上使用编码使得偏差通过平均抵消。脉冲间隔、或者滞后时间LI，确定了距离-速度分辨率的精度，其中滞后时间越短意味着分辨率越大。甚至可以通过发送在一个或多个编码元素中重叠的脉冲，使得滞后时间小于单个编码脉冲的长度。例如，利用字母表中的字母代表编码元素，那么序列“ABABA”将允许两个脉冲“ABA”，其中该两个脉冲具有要发送的三个编码元素的长度，且其滞后时间等于发送两个编码元素的时间。本领域技术人员可以了解并理解，在选择恰当的编码，编码长度和多脉冲波形的脉冲分隔时需要平衡，这些取决于本发明的特殊应用。下文中，如无其它指示，宽带ADCP和编码脉冲宽带ADCP系统和方法将统称为宽带ADCP。相控阵换能器的结构和操作图5是用于说明ニ维换能器阵列的一个实施例的框图，其是图2的水流剖面仪的一个实施例的一部分。描述了ー种典型的平面声波换能器的阵列的结构100。単独的阵列元件102沿着前侧的列104和后侧的行106电互联。阵列元件102通过两轴发送/接收(T/R)开关118互联至相关的波束形成器108、110。发送108和接收110波束形成器可以是相位或时间延迟波束形成网络。在示例性实施例中，波束形成器是相位波束形成网络。用于该描述的坐标系统如下述所示，行106在X轴上走向，列104在Y轴上走向，以及Z轴与平面116垂直。阵列表面116是圆形的，但是其它形式的因数，例如通常两面维度対称的椭圆或多边形也适用于形成一般圆锥形式的窄的倾斜的波束。该阵列由大量的小元件102组成，其中该小元件具有対称的面，典型的为方形、圆形、或者矩形(即它们的表面横断面)。在一个实施例中，每个元件的表面宽度近似为O. 5 λ，其中λ是理想的中心频率在水中的声波波长。为了形成4°波束宽的波束，需要近似16 λ的阵列直径，需由近似800个元件的32X32元件阵列组成。阵列元件的后侧的行106 (X方向)和前侧的列104(Υ方向)沿着元件的平行线用很薄的透声材料电连接在一起，如图5所示，其中该元件具有。行和列通常而非必须是正交的。
阵列X轴的行106和Y轴的列104中的每一个都连接至T/R开关118，其在接收方式中将X和Y组线路电连接至各个X和Y接收波束形成器110，并在发送模式中电连接至X和Y发送波束形成器108。在一些实施例中，T/R开关118由T/R逻辑信号120控制以在发送和接收模式之间切换。在其它实施例中，T/R开关包括无源组件，其通过检测发射信号是否由发射波束形成器108施加来操作。如果检测到发射信号，那么T/R开关切换至发射模式，如果未检测到发射信号，那么切换至接收模式。当在发射模式时，阵列线路通过T/R开关118连接至发送波束形成器108，该发射波束形成器提供来自低阻抗电源的电发射驱动信号(相对于换能器元件的线路的电阻抗)。当在接收模式时，阵列线路通过T/R开关连接至接收波束形成器110，该接收波束形成器接收来自换能器线路的电信号。每条X和Y线路上的低电源/负载阻抗(在发射期间低电源阻抗)允许同时和独立访问每个X行106和Y列104，以将发送的电驱动信号应用于每个X行和Y列。并且，X 和Y轴线路阵列的并行组可以同时和独立形成。通过沿着后侧的行106的并行电连接和在所有前侧的Y轴列104上提供低阻抗大地信号来形成X轴发射和接收线路阵列。在发射模式期间，通过T/R开关，将发射驱动信号从发射放大器施加于并行的X轴后侧的电互联线路，其中该发射放大器相对于信号大地具有低的输出阻抗。当X轴驱动信号施加于独立的X轴线路阵列时，整个Y轴32并行线路阵列表面保持为至信号大地的低阻抗路径(经由该信号路径穿过Y轴T/R开关118a达到Y波束形成器108a的低阻抗Y轴驱动器)，以确保X轴驱动信号仅跨X轴的行施加，而不耦合至阵列的Y轴侧。类似地，当Y轴驱动信号施加于Y轴线路阵列时，整个X轴阵列表面保持为至信号大地的低阻抗路径，以允许信号独立地施加于Y轴，而不耦合至X轴。这样，通过叠加X和Y轴发射驱动信号，与发射波束形成器源相关的低阻抗允许X和Y轴线路发射阵列同时地独立地形成。在接收模式期间，在每个X轴行106上存在电信号代表每行所有元件接收的电信号的总和。当从一列接收信号时，该列信号独立于同时接收的行信号。类似地，当从行接收信号时，该行信号独立于同时接收的列信号。在发送和接收模式期间，经由X和Y信号线路独立和同时的X行和Y列的电访问允许阵列用作二维阵列，以同时和独立地在X-Z和Y-Z平面中形成多个倾斜的声波波束组。每个平面中的波束形成操作与传统的一维相控和/或时间延迟阵列相同。这样，二维波束形成操作通常等价于两个重叠的一维阵列，其中一个阵列旋转90°。在发射模式操作期间，施加于X行的相位或时间延迟信号在Y方向(Y-Z平面)形成倾斜的声波发射波束。同时和独立地，施加于Y列的相位或时间延迟信号在X方向(χ-ζ平面)产生倾斜的声波发射波束。在接收模式操作期间，在X行接收的电信号是相位或时间延迟的，其在X行接收器波束形成器中被组合，以在Y方向产生倾斜的接收声波波束。同时和独立地，在Y列接收和在Y侧波束形成器中被组合的信号在X方向产生倾斜的接收声波波束。这样，通过叠加X和Y轴电和声信号，实现了在发送和接收模式中从单个的平面阵列中形成二维声波波束。图6a和6b说明了图5中前述的具有相移波束形成器的二维阵列的操作。为了理解这些二维发送和接收声波波束如何形成的操作的基本原理，我们考虑32X32元件二维阵列换能器的16个元件阵列子集的操作。
在单ー频率(窄带)，f，且波长为λ = c/f处接收长猝发音，其中c是声音在流体介质中的传播速度，引入的沿X方向，且与Z轴(Z与阵列平面正交，或者与图的平面正交)成角Θ 202前进的声音射线波阵面200前进至与Y轴(前侧)的列线路阵列204中的每ー个成不同距离，这样，在不同时间，并且通常以不同相位穿过线路阵列中的每ー个。如图6a所说明的，相邻的线路阵列(α)206之间的路径长度差通过如下方程与元件的中心到中心的分隔距离(d)相关a = dsin Θ方程 2相邻线路阵列之间的波阵面 到达时间差(τ )是τ = a /c = (d/c) sin Θ 方程 3如果元件间隔的距离对应于，例如到达的窄带信号的二分之一波长(d = λ /2)，那么以到达的信号波长来表达的路径长度差为α = ( λ /2) sin Θ方程 4对于例如30°的到达角来说，α = ( λ /2) sin30 = λ /4 方程 5这对应于到达的窄带信号的元件间的90°角相移。这样，当窄带脉冲由所有Y轴线路阵列接收时，沿着由四个Y轴线路阵列组成的组所接收的电信号的相位分别是0、90、180和270度，其中如前所述，后侧耦合至低阻抗虚拟大地208。首先考虑前侧(Y)的列的接收操作，其中后侧的行106全部耦合至X轴接收波束形成器IlOb中的地信号。每组四个X轴电信号(在用于说明的4X4阵列中)连接至接收波束形成器IlOa的接收预放大器中的虚拟地节点208以形成后侧的行的參考信号，并且在相连的线路阵列之间移相-90° (0、-90、-180、和-270度)，如图所示。施加的相移用于补偿窄带声波脉冲中不同的元件间的路径长度的相移，其与线路阵列相关联，如图6a所说明的。最終得到的四个信号210将同相，当其被求和时，将会当接收在30°入射角到达的波阵面时形成最大声波干扰图案。该最大值对应于形成的波束的一个主瓣的中心轴。可以通过将在四个信号上施加相移的90°符号反向井将这些信号求和，而形成第ニ个接收波束，用于引入的在-X方向前进并与Z方向成角Θ (例如，在-30°入射角)的声音射线波阵面。由于四个信号的相位组对于附加的由四个线路阵列组成的组来说是重复的，因此，可以通过将所有四个线路阵列组成的组的信号求和实现更大的阵列，以进一歩增强±30°处的干扰图案。当如上所述，利用附加的由四个线路阵列段组成的组时，沿着±30°方向的声波信号增益增加，或者相应地，当增加附加的阵列组时，该方向上的波束宽度减小。另一波束形成的方法是首先将来自不同阵列组的所有等相位的信号求和，然后在求和的四个信号组成的组中应用施加的90°相移。这可以通过将每个第四个线路阵列简单的并行电连接来实现。通过阵列中线路阵列组的数量，来确定X方向上有效的波束宽度。在Y方向，通过线路阵列的波束图案确定波束宽度，其与阵列线路的长度(声波波长)成反比。在一些实施例中，两个平面上的具有类似宽度的窄的倾斜声波波束是理想的，X和Y平面大小保持相同。在发射模式期间，两轴阵列的操作与上述接收模式类似，除了信号流反向，如图6b所说明的。首先考虑前侧的列的发送操作，其中后侧的行全部耦合至地信号。长猝发音载波频率300施加于相移发射波束形成器108a，产生具有0、90、180和270度相对相位的四个驱动信号。这些信号从低阻抗驱动器施加于Y列的四个并行的电线组302。该施加的相移将补偿从线路阵列之间不同的路径长度引起的相移，并将在-30°入射角处形成发射的声波信号干扰图样，其对应于一个主波束瓣的中心。如前所述，通过将施加相移的90°的符号反向，则可以在-30°的入射角处形成另一发射波束。在Y轴接收和发送操作是相同的。当考虑从后侧的行施加和接收的信号时，前侧的列通过低阻抗耦合至地信号。在每侧存在至地的低发送驱动负载阻抗会产生完全独立的X和Y轴操作。从X和Y轴信号叠加来看，也可以看出两个轴(即，行和列)可以同时操作。图7示出了图6b的“Y轴发射波束形成器”的详细视图，用于说明波束形成器如何同时发射两个波束。图7的发射波束形成器包括两个至波束形成器的两个额外的输入(除了发射信号之外)，该输入分别控制时间和空间相移。正如所说明的，这些相移施加于发射信号以产生四个不同的驱动信号。
空间相移控制信号控制变换器的两个开关。每个开关可以位于两个设定中的一个0°或180°。在示例性实施例中，不使用空间相移控制信号，两个开关位于“0° ”设定。时间相移控制信号构造为控制左波束、右波束、还是在一个平面上生成的两个波束。左波束是指在-X方向，且与Z方向成一角度前进的波束。右波束是指在X方向，且与Z方向成一角度前进的波束。两个开关由时间相移控制信号控制以切换至三个设定中的一个。可以通过控制图6B中说明的四个驱动信号的相移，来产生左波束或右波束。通过叠加，波束形成器可以通过将产生每个波束所需的驱动信号相加在一起，同时产生两个波束。图7顶部的表格说明了产生左波束、右波束、以及两个波束的四个驱动信号。每个驱动信号由矢量代表。用以产生左和右波束的四个驱动信号中每一个的矢量是用于产生每个波束的驱动信号的矢量和。例如，在第一列中，用于产生左波束，右波束，和两个波束的驱动信号分别是具有单位幅值和315°相位的矢量，具有单位幅值和45°相位的矢量，具有幅值和0°相位的矢量。类似地，可以采用图6a中的接收波束形成器，以同时接收两个波束。利用固定相位延迟以形成窄发送和接收波束的上述两轴波束形成技术是指“二维相控阵”换能器。它可以用于窄带应用中，该应用发送基本为单一频率或窄带宽的长猝发音。从一个单个的平面阵列孔形成在X-Z (波束3和4)和Y-Z平面(波束I和2)上定位且均相对于Z方向成一角度的四个倾斜的窄波束，如图8所示。在其它实施例中，在宽带应用中使用相控阵换能器。从图6a的声音射线图看出，对于固定元件间隔d来说，每个波束的角度通过如下方程与声波频率相关Θ = sin-1 ( λ /4d) = sin-1 (c/4fd) 方程 6这样，波束角是频率依赖型的，如果进入的或出去的波具有很宽的频谱，那么主瓣波束图案将相应地在角域被加宽。由于该带宽引起的波束扩散，相控阵技术既不能和宽带ADCP 一起起作用，也不能和窄带应用一起起作用，其中宽带ADCP发射具有很宽频谱(典型地20-50 %的载波频率)的信号。从前述可以理解，可以包括某些具有创造性的方面，以产生具有不同载波频率、波束特性和信号带宽能力的两轴倾斜波束的许多组合。图9说明了图5的换能器阵列的一个实施例的顶视图。该示例性实施例构造为在两轴中的每ー个上150kHz载波频率处产生两个窄波束宽的波束，用于ADCP的应用中。该示例性实施例包括圆形换能器阵列和两个基本相同的波束形成网络，每个波束形成网络提供用于形成两个倾斜的发射/接收波束的驱动信号。例如，阵列的直径D 600近似为160mm。具有紧密间隔的800个独立的方形面的150kHz压电陶瓷元件102，它们中心至中心的距离604为5mm(在150kHz处为大约1/2波长,基于大约为1536m/s的传播速度)。该示例性实施例可以被修改以符合应用的特定要求。图10是图5换能器阵列的一个实施例的三维视图，用于说明多层结构。在该视图中，该厚度尺寸被放大以示出层叠的结构。陶瓷阵列元件700，例如图9中示出的800个元 件102，通过陶瓷顶表面和底表面上两个很薄的透声柔性印刷电路(FPC) 702、704电性和机械连接。该电路可以用KaptonTM(聚酰亚胺)或其他恰当的材料制造。例如，通过将印刷电导线装配和粘合(或者作为替换，低温焊接)至阵列元件的导电表面，而实现电连接至每个陶瓷元件700。粘合可以利用恰当的粘合剂或胶水完成，虽然其它形式的粘合也适用。连接方式是沿着前侧的元件列和沿着后侧的行，并进入一侧的列(Y电线705)和另ー侧的行(X电线707)。ー个具有与陶瓷匹配的表面尺寸的玻璃纤维材料706，例如厚1/8英寸(3. 18mm)(例如具有商标“G-10”或其他类似的材料)粘合至每个150kHz换能器阵列上的顶部柔性电路的前端。该玻璃纤维(G-10或等价物)片是声学四分之一波变换器，用于提高阵列和水之间的阻抗耦合，并显著增加换能器元件的带宽。在某些实施例中，换能器带宽的显著增加对于宽带ADCP应用来说是理想的。粘合至玻璃纤维片前端的氨基甲酸酯层708将表面密封至前面的水中。填充了气体的纸板层710放置在外壳712的后平面和底部柔性电路的背面之间以反射向后发送的声波能量，并提供必要的机械支撑，以抵抗换能器阵列表面714的前端的水压。可以理解，取决于特殊的应用，可以使用其它前和后匹配层。利用相控阵换能器的示例件ADCP图11是用于说明ADCP 10的一个实施例的功能框图，其包括图5的ニ维换能器阵列。该电子器件可以在功能上分割为接收声信号的前端换能器组件160，和电子组件162，该电子组件用于调整发送和接收，以及执行信号处理。如參照图15所讨论的，阵列的X轴上的行106和Y轴上的列104中每ー个都连接至T/R开关118，该开关在接收模式，将X和Y线路组电连接至各个X和Y接收波束形成器110，在发射模式连接至X和Y发送波束形成器108。在发射模式，由数字信号处理器196将编码脉冲发送初始化。该数字信号处理器可以是数字信号处理器，或任何其它恰当的信号处理电路，包括任何通用单芯片或多芯片微处理器，例如 ARM, Pentium , Pentium II , Pentium III , Pentium IV ,Pentium Pro, 8051, MIPS , Power PC ,ALPHA ,或者任何专用微处理器，例如微控制器和可编程门阵列。在一些实施例中，数字信号处理器196可以构造为执行一个或多个软件模块。一组用户指定的參数，包括每个编码元素的周期数和编码长度，都存储在数字信号处理器196的ROM中。数字信号处理器196通过数字总线168将波形特定參数传送至定时发生器170。在数字信号处理器196的控制下，定时发生器170控制编码发送器172以产生恰当的编码脉冲对，包括死区。编码脉冲通过功率放大器174放大，并最終作为编码的声波波形通过换能器阵列100 (参见图5)发射至水中。在一些用户指定的消隐间隔期间，当不发送脉冲时，从换能器阵列100接收的回声脉冲从T/R开关电路118a和118b送至一组接收波束形成器I IOa和110b，如参照图5所讨论的。在一个实施例中，接收放大器180每个都包括Signetics SA604A半导体芯片。虽然设计用于中间频率转换应用，但是SA604A芯片的两个放大器偶尔在水流剖面仪的期望频率范围上操作。放大器串联连接至波束形成器IlOa和IlOb的输出端。回声的信号强度也可以通过接收放大器180，例如从管脚5，SA604A芯片的RSSI输出端，被系统获得。在一个实施例中，信号强度被数字化和记录以用于后续的处理。在用于测量反向散射强度、粒子浓度和粒子通量时，可以校准信号强度信号。例如，该种测量的一种应用是在捕捞操作中，其中信号强度用于确定泥沙浓度和由通过倾倒废石堆产生的烟柱中的垂直通量。 接收放大器180的输出信号送至一组同相混频器182a、b、c、d和一组正交混频器183a、b、c、d中。混频器182、183形成接收信号和载波信号的乘积。更特别地，混频器182、183用于使接收信号外差，以将载波信号译成DC信号(其中载波信号包括同相[余弦]和正交[正弦]信号，统称为正交信号)。在示例性实施例中，混频器182、183由两个74HC4053三倍双通道模拟多路复用器/信号分离器芯片实现，例如由Signetics提供的芯片。混频器182、183从正交产生器184接收正交信号。在一个实施例中，正交产生器184包括一对串联连接的D触发器(未示出)。第二个触发器的反向输出端Q’回馈至第一个触发器的输入端D。在操作中，正交产生器184从定时发生器170接收振荡信号。振荡信号送入两个D触发器的时钟输入端。这样，从第二个触发器的反向输出端Q’采样同相信号，从第一个触发器的非反向输出端Q采样正交信号。然后，将正交信号从正交发生器184送至混频器182、183。混频器182、183将它们各自放大的正交信号送至一组可编程低通滤波器188a、b、c、d和189a、b、c、d。低通滤波器188由控制器192编程以通过旁带频率，例如，上至20%的载波频率，其与编码脉冲的相位调制对应。来自低通滤波器188、189(标记为余弦和正弦通道)的滤波后的正交信号输出送入采样模块194中。控制器192和定时发生器170控制采样模块194的功能。由定时发生器170在已经发送编码序列的最后一个元素之后将接收周期初始化。在用户可编程的延迟，以允许换能器组件160中接收电子器件恢复之后，定时发生器170产生采样选通脉冲链，用于触发采样模块194中的模数转换器。这样，每个采样比特对应于换能器阵列100接收的四个波形之一的一个正交分量的一个采样。该数字数据通过数字总线168发送至数字信号处理器(DSP) 196。在示例性实施例中，数字总线168是自定义的，异步总线，其具有16条数据线(BD0-BD15)和12个地址线(BA I-BA 12)。在一些实施例中，数字总线168可以在上至每字符400ns的速度下传送数据。在一些实施例中，采样模块194包括多比特模数转换器(ADC)，其构造为采样四个波形中的每个正交分量，而不是之前讨论的单个比特采样。这样近似线性采样这些波形。DSP 196在与第一脉冲的编码元素数对应的预定滞后时间处计算接收的信号的自相关函数(R(h))。自相关函数用于测量在时间t接收的波形和延迟滞后时间接收的波形的相关性。在示例性实施例中，接收的信号是ー系列采样。因此，R(h)用于测量该系列的采样和延迟h(由整数个采样数代表的预定滞后时间)后采样系列的相关性。为了计算该函数，DSP 196通过采样模块194向四个余弦-正弦对输出中的每ー个独立应用下述方程
权利要求
1.一种利用换能器在流体介质中测量速度的方法，所述方法包括 发射声信号，其中所述声信号包括N个用于多个波束中每一个的脉冲信号，其中N是整数并且N > I ； 从每个脉冲信号接收回声； 基于所述脉冲信号的回声，获得N个脉冲信号中每一个的速度估计值；以及 基于所述N个速度估计值的总和计算速度，使得所述速度中基本没有由于所述波束之间的交叉耦合引起的误差。
2.如权利要求I所述的方法，其中所述换能器包括多个活塞式换能器。
3.如权利要求I所述的方法，其中所述换能器包括相控阵换能器，所述相控阵换能器包括多个换能器元件，其布置为形成单个的二维阵列。
4.如权利要求I所述的方法，其中所述测量的速度是所述流体介质中水流的速度。
5.如权利要求I所述的方法，其中所述测量的速度是车辆或船只相对于流体介质的底部或表面的速度。
6.如权利要求I所述的方法，其中所述测量的速度是目标的速度。
7.如权利要求I所述的方法，其中选择所发射的信号，使得对于每对波束来说，该对波束之间的N个交叉耦合因数的总和基本是O，其中每个交叉耦合因数对应于一个脉冲信号。
8.如权利要求3所述的方法，其中所述相控阵换能器构造为至少形成第一波束平面和第二波束平面，其中选择所发射的信号，使得对于在相同平面内产生的每对波束来说，该对波束之间的N个交叉耦合因数的总和基本是O，其中每个交叉耦合因数对应于一个脉冲信号。
9.如权利要求I所述的方法，其中所述多个波束包括至少4个波束，其中N是不小于4的整数，其中要发射的信号包括下表中示出的信号 脉冲波束I波束2波束3波束4 信号 .1O0双音I0°双音IIO0双音I0°双音II .2+90。五度音I-90。五度音I+90。五度音I-90。五度音I .3180°巴克I180°巴克II0°双音I0°双音II .4-90。五度音I+90。五度音II+90。五度音I-90。五度音II
10.如权利要求9所述的方法，其中所述换能器包括相控阵换能器，其构造为产生第一波束平面和第二波束平面，其中所述平面中的一个包括波束I和2，另一个平面包括波束3和4。
11.一种构造为测量速度的系统，包括 换能器，用于发射声信号和接收每个脉冲信号的回声，其中所述声信号包括N个用于多个波束中每一个的脉冲信号，N是整数并且N > I ;以及处理模块，其构造为基于所述脉冲信号的回声获得N个脉冲信号中每一个的速度估计值，并且基于所述N个速度估计值的总和计算速度以基本消除由于所述波束之间的交叉耦合引起的误差。
12.—种构造为测量速度的系统，包括 用于发射声信号的装置，其中所述声信号包括N个用于多个波束中每一个的脉冲信号，其中N是整数并且N> I ； 用于从每个脉冲信号接收回声的装置； 基于所述脉冲信号的回声，获得N个脉冲信号中每一个的速度估计值的装置；以及基于所述N个速度估计值的总和计算速度的装置，使得所述速度中基本没有由于所述波束之间的交叉耦合弓丨起的误差。
全文摘要
本发明为用相控阵换能器进行声波多普勒速度处理的系统和方法，公开了用于测量流速的系统和方法。一方面，一种方法(900)包括发射第一组比测量系统带宽宽的信号，接收第一组信号的回声，基于该回声获得第一速度估计值，发射第二组比测量系统带宽窄的信号，接收第二组信号的回声，基于第二组信号回声获得速度估计值，基于第一速度估计值，选择一个速度估计值。在另一方面，一种方法(280)包括从初步速度估计值中基本去除与第一速度相关的偏差。在另一方面，一种方法(1900)包括获得一组发送的脉冲信号中每一个的速度估计值，基于该速度估计值的和计算速度。
文档编号G01S7/52GK102680734SQ20121011902
公开日2012年9月19日 申请日期2007年9月27日 优先权日2006年9月28日
发明者布莱尔·H·布仁里, 弗兰·罗, 马克·A·沃格特 申请人:德立文亚迪仪器公司