声纳系统的制作方法
【专利说明】声纳系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请要求2014年7月11日提交的、题为“ SONAR TRANSDUCER SUPPORTASSEMBLY SYSTEMS AND METHODS” 的美国临时专利申请 N0.62/023，787，2014 年 5 月 30 日提交的、题为“TRANSMISS1N SIGNAL SHAPING SYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请N0.62/005，819 以及 2014 年 2 月 21 日提交的、题为“MODULAR SONAR TRANSDUCER ASSEMBLYSYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请N0.61/943，170的优先权及其权益。通过引用的方式将所有上述申请的内容作为整体合并到本文中。
技术领域
[0003]本实用新型的一个或者多个实施例总体上涉及声纳换能器，并且更特别地，例如，涉及提供模块化的声纳换能器组件的声纳系统。
【背景技术】
[0004]近一个世纪以来，水下声纳系统已用于安全高效地操作船只。通常，水下声纳常用于执行水深测量、检测水下的危险、搜寻鱼和/或通过产生船只下方的水柱的数据和/或图像来协助导航。
[0005]常规的声纳系统通常昂贵并且较难制造。市场压力和便利性要求需要包括更多功能并且产生更高质量的最终成像的系统更小且更容易使用。然而，更小并且更精确的声纳系统(特别是，对于换能器元件尺寸和方位来说)更难以以可靠的公差来制造，并且更难以可靠地操作。
[0006]因此，特别是在提供相对高质量的声纳数据和/或图像的情况下，需要一种改进的方法，以使用相对高产率的制造方法提供精确且可靠的小型声纳系统。
【实用新型内容】
[0007]公开的技术是一种用于为移动结构提供准确且可靠的小型声纳系统的系统和方法。模块化声纳系统可以包括多个声纳换能器组件和基本上置于声纳换能器组件内的至少两个换能器模块。每个换能器模块可以包括换能器元件和模块框架。模块框架可以被配置为支撑换能器元件，以物理地耦合到其他换能器模块、和/或物理地耦合到声纳换能器组件以固定换能器模块。该系统还可以包括被配置为调节换能器模块的方位的致动器和/或用于控制致动器的逻辑装置。产生的声纳数据和/或图像可以显示给用户和/或用于调节移动结构的各种操作系统。
[0008]在各种实施例中，声纳系统可以包括陀螺仪、加速度计、速度传感器、一个或多个附加传感器、致动器、控制器、用户接口、映射系统、和/或安装到或接近车辆的其他模块。该系统的各个部件可以利用逻辑器件实现，所述逻辑器件适于形成用于发送和/或接收传感器信号、控制信号、或各个部件之间的其他信号和/或数据的一个或多个有线和/或无线的通信链路。
[0009]在一个实施例中，系统可以包括适于安装到移动结构的一个或多个声纳换能器组件和基本上设置在一个或多个声纳换能器组件内的至少两个换能器模块。每个换能器模块可以包括包含发射面的换能器元件；和适于支撑所述换能器元件和/或其他模块结构的模块框，其中，模块框物理地耦合到所述一个或多个声纳换能器组件和/或至少一个其他换能器t旲块。
[0010]在另一个实施例中，方法可以包括:接收测量的对应于多个换能器模块中的至少一个的换能器方位，所述多个换能器模块基本上置于一个或多个声纳换能器模块内；至少部分基于期望的换能器方位和测量的换能器方位，确定对换能器方位的调整；以及控制致动器将对应于至少一个换能器模块的换能器方位基本上调整为期望的换能器方位。
[0011 ] 在另一个实施例中，方法可以包括:装配至少两个换能器模块并装配适于安装到移动结构的一个或多个声纳换能器组件；其中，每个换能器模块包括包含发射面的换能器元件；和适于支撑所述换能器元件和/或其他模块结构的模块框，其中，至少两个换能器模块基本置于一个或多个声纳换能器组件内；并且其中，每个模块框物理地耦合到所述一个或多个声纳换能器组件和/或至少一个其他换能器模块。
[0012]在另一个实施例中，声纳系统包括安装支架、换能器支撑臂和枢转机构。所述枢转机构可枢转地将换能器支撑臂耦合到安装支架，以使得:当作用于所述换能器支撑臂上的力小于预先选择的启动水平时，所述枢转机构使所述换能器支撑臂抵挡住这些力并且位于用户可选择的相对于所述安装支架的第一角度位置，以及当作用于所述换能器支撑臂上的力等于或大于预先选择的启动水平时，所述枢转机构使所述换能器支撑臂在这些力的作用下移动到相对于所述安装支架的第二角度位置。
[0013]在另一个实施例中，方法包括:提供安装支架并可转动地将换能器支撑臂耦合到具有枢转机构的安装支架，以使得:当作用于所述换能器支撑臂上的力小于预先选择的启动水平时，所述枢转机构使所述换能器支撑臂抵挡住这些力并且位于用户可选择的相对于所述安装支架的第一角度位置，以及当作用于所述换能器支撑臂上的力等于或大于预先选择的启动水平时，所述枢转机构使所述换能器支撑臂在这些力的作用下移动到相对于所述安装支架的第二角度位置。
[0014]在另一个实施例中，方法包括:提供安装支架和换能器支撑臂并可转动地将换能器支撑臂耦合到具有枢转机构的安装支架，所述枢转机构使所述换能器支撑臂保持在用户可选择的相对于所述安装支架的第一角度位置，并且反作用于施加在所述换能器支撑臂上的、小于预先选择的启动水平的力，并且允许所述换能器支撑臂通过作用于所述换能器支撑臂上的、等于或大于预先选择的启动水平的力，移动到相对于所述安装支架的第二角度位置。
[0015]本实用新型的范围由通过引用的方式合并到该部分的权利要求书限定。通过考虑下面对一个或多个实施例的详细描述，本领域技术人员将更加全面地理解本实用新型的实施例以及本实用新型所实现的优点。将参考将首要描述的附图。
【附图说明】
[0016]图1示出了根据本公开实施例的声纳系统的框图。
[0017]图2示出了根据本公开实施例的声纳系统的示意图。
[0018]图3A示出了根据本公开实施例的声纳换能器组件的横截面图。
[0019]图3B-3C示出了根据本公开实施例的各个换能器元件和它们的相应的声束的示意图。
[0020]图4A示出了根据本公开实施例的用于形成声纳系统的各种操作的流程图。
[0021]图4B示出了根据本公开实施例的用于操作声纳系统的各种操作的流程图。
[0022]图5-12中的每一个都不出了根据本公开实施例的相应的声纳系统的不意图。
[0023]图13A是根据本公开实施例的声纳系统的换能器支撑件和启动组件的透视图。
[0024]图13B是根据本公开实施例的沿着图13A的截面的线13B-13B看到的换能器支撑件和启动组件的横截面图。
[0025]图14A是根据本公开实施例的换能器支撑件和启动组件的右侧正视图，其中示出了置于相对于安装支架的展开或操作位置的换能器支撑臂。
[0026]图14B是根据本公开实施例的换能器支撑件和启动组件的右侧正视图，其中示出了置于相对于安装支架的缩回或启动位置的换能器支撑臂。
[0027]图15A-150是示出根据本公开实施例的在换能器支撑件和启动组件的装配中的顺序步骤的视图。
[0028]图16A-16H是示出根据本公开实施例的在换能器支撑件和启动组件的装配中的顺序步骤的视图。
[0029]通过参考下面的详细说明，最好地理解本实用新型的实施例及它们的优点。应当理解，相同的参考标号用于标识一个或多个附图中的相同的元件。
【具体实施方式】
[0030]根据本公开的各种实施例，精确且可靠的小型声纳系统和方法可有利地包括控制器和一个或多个可调节的声纳换能器组件，所述声纳换能器组件与方位传感器、陀螺仪、加速计、和/或提供对声纳传感器组件和/或移动结构的方位、角速度、加速度和/或速度的测量的速度传感器相结合。例如，声纳可安装到移动结构(例如，船只、飞机、机动车辆和/或其他移动结构)或位于移动结构内，或可以与声纳换能器组件和/或控制器集成。
[0031]与传统系统和/或方法相比，本公开的实施例通过利用各种方位和/或位置测量而自动地协调声纳操作，能够可靠地产生更高质量的图像并且更易于使用。另外，由于这些实施例的整体模块化方法(包括再次利用多个独特声纳换能器布置中的公共部件)，所以上述实施例的制造相对便宜。独特声纳换能器布置反过来又提供了开发新的声纳处理和/或数据累积技术的各种机会。
[0032]图1示出了根据本公开实施例的系统100的框图。在各种实施例中，系统100可以适于测量移动结构101和/或声纳系统110的方位、角速度、加速度以及速度。系统100可以随后使用这些测量来根据声纳系统110和/或移动结构101的期望的操作调整声纳系统110的方位。在各种实施方式中，系统100可以通过用户接口 120向用户显示产生的声纳数据和/或图像，和/或使用声纳数据和/或图像控制移动结构101的操作，例如，控制转向致动器150和/或推进系统170以根据期望的航向(举例来说，例如，航向角107)操纵移动结构101。
[0033]在图1所示的实施例中，系统100可以实现成为特定类型的移动结构101 (例如，飞行器、船只、飞机、机器人、车辆和/或其他类型的移动结构)提供声纳数据和/或图像。在一个实施例中，系统100可以包括声纳系统110、用户接口 120、控制器130、方位传感器140、速度传感器142、陀螺仪144、加速度计145、全球定位卫星系统(GPS) 146、转向传感器/致动器150、推进系统170以及一个或多个其他传感器和/或致动器(例如，其他模块180)中的一个或多个。在一些实施例中，可以在能够耦合到移动结构101和/或能够由移动结构101的用户手持或携带的组合壳体或结构中实现系统100的一个或多个元件。
[0034]方向102、103和104描述了移动结构101的一种可能的坐标系(例如，用于方位传感器140测量的航向或方位和/或陀螺仪144和加速度计145测量的角速度和加速度)。如图1和图2所示，如本文所述，方向102示出了可以基本上平行于移动结构101的纵轴和/或与移动结构101的纵轴基本上对准的方向，方向103示出了可以基本上平行于移动结构101的横轴和/或与移动结构101的横轴基本上对准的方向，并且方向104示出了可以基本上平行于移动结构101的垂直轴和/或与移动结构101的垂直轴基本上对准的方向。例如，移动结构101的运动的横滚分量可以对应于围绕方向102的旋转，俯仰分量可以对应于围绕方向103的旋转，并且横摆分量可以对应于围绕方向104的旋转。
[0035]航向角107可以对应于参考方向106 (例如，地球的磁场的局部分量)在水平面(例如，相对于存在于移动结构101内的重力定义的“向下”矢量来说)上的投影和方向102在同一个水平面上的投影之间的角度。在一些实施例中，可以将参考方向102在水平面(例如，相对于重力定义的“向下”矢量来说)上的投影称为磁北。在各种实施例中，例如，磁北、“向下”矢量、和/或各种其他方向、位置、和/或固定或相对参考系可以定义绝对坐标系，举例来说，可以将参照绝对坐标系的方向测量称为绝对方向测量(例如，“绝对”方位)。在一些实施例中，方向测量最初可以参照特定传感器(例如，声纳系统110的换能器组件或模块)的坐标系并将其变换(例如，使用一个或多个坐标系变换参数)为参照移动结构101的绝对坐标系和/或坐标系。在各种实施例中，可以将绝对坐标系定义为或使其对应于具有一个或多个未定义的轴的坐标系，例如，存在于移动结构101内的相对于局部重力矢量来说的、但是具有未参考的和/或未定义的横摆参考(例如，不涉及磁北)的水平面。
[0036]如本文所述，声纳系统100可以实现为一个或多个电气和/或机械耦合的控制器、发射器、接收器、信号处理逻辑器件、各种电气部件、各种形状和尺寸的换能器元件、声纳换能器组件、装配支架、艉板支架和/或适于调整声纳系统110的任何一个部件的方位的各种致动器。声纳系统110可被配置为发射一个或一系列声束，接收对应的声返回，并且将声返回转换为声纳数据和/或图像，例如，测深数据、水深、水温、水柱/体积碎片、水底概况和/或其他类型的声纳数据。例如，声纳系统110可被配置为将这些数据和/或图像提供给用户接口 120以向用户显示，或者提供给控制器130以进行如本文所述的另外的处理。
[0037]在一些实施例中，声纳系统110可以使用模块化设计来实现，其中具有类似和/或相同部件的一个或多个单独的换能器模块可以物理耦合到对应的声纳换能器组件，所述声纳换能器组件又可以利用一个或多个装配支架和/或艉板支架物理耦合到移动结构101。在一些实施例中，例如，声纳系统110可以包括多个声纳换能器组件，和/或可以包括基本上位于每个声纳换能器内的多个换能器模块。如参考图3A-3C更全面描述的，每个换能器模块可以包括一个或多个换能器元件(例如，发射和/或接收声信号的有源元件)，并且每个换能器元件本身可实现为从多个单独的成形元件形成的换能器元件组件。由于它们的模块化形式，换能器模块可以用于在换能器组件内形成各种换能器布置，并且换能器组件可以用于形成更大和/或更复杂的布置，在此无需穷尽地表征和验证每个设计。另外，模块化的设计便于创建精确且可调整的布置，其可被配置为产生非常详细且精确配准的声纳数据
/图像。
[0038]例如，在一些实施例中，声纳系统110可以利用能够由控制器130和/或用户接口120(例如，多功能显示器(MFD))远程控制的致动的俯角调整(例如，从水平参考面测量的方位)来实现。在这些实施例中，声纳系统110可被配置为将俯角与其他传感器信息(例如，定位/位置信息(全球定位数据和/或文本描述)、水深、海拔高度、移动结构的速度、和/或MFD可用的其他传感器和/或控制信息)一起存储。控制器130可被配置为产生查找表以使得用户可以根据特定位置或者某些其他传感器信息选择最佳俯角。可替换的，自动调整算法可用于基于传感器信息选择最佳俯角。
[0039]例如，在一个实施例中，移动结构101可以位于由MFD图表上的根据位置数据识别的区域，用户可以已经选择了最佳俯角的用户设置，并且控制器130可被配置为控制致动器设置为该角度/方位。在另一个实施例中，控制器130可被配置为确定水深和/或海拔高度，并且使用该数据控制俯角，以针对报告的深度/海拔高度保持最佳方位。在又一个实施例中，用户可以在宽广的区域搜寻鱼并且可以选择将会将换能器的方位调整为浅俯角以声穿透相对宽、浅的区域的俯角设置。在又一个实施例中，控制器130可被配置为接收移动结构101的姿态和/或方位测量。在该实施例中，控制器130可被配置为控制与换能器模块相关的致动器以相对于例如水面保持它们的姿态，从而改进显示的声纳图像(例如，通过确保一系列声信号的正确配准)。在各种实施例中，控制器130可被配置为通过控制转向传感器/致动器150和/或推进系统170来调整移动结构101的位置和/或方位，以有助于确保一系列声音信号、声纳数据和/或声纳图像的正确配准。
[0040]尽管图1示出了系统100的与声纳系统110分离的各种传感器和/或其他部件，但是在其他实施例中，系统100的任何一个传感器和部件或者其组合可以与声纳组件、执行器、换能器模块、和/或声纳系统I1的其他部件集成。例如，方位传感器140可以与声纳系统110的换能器模块集成并且可以被配置为将换能器模块的绝对和/或相对方位(例如，横滚、俯仰和/或横摆)提供给也可以与声纳系统I1集成的控制器130和/或用户接P 120ο
[0041]用户界面用户接口 120可以实现为显示器、触摸屏、键盘、鼠标、操纵杆、旋钮、方向盘、船只的轮子或舵、横舵柄、和/或能够接收用户输入和/或向用户提供反馈的任何其他装置。在各种实施例中，用户界面用户接口 120可适于将用户输入(例如，如某种类型的信号和/或传感器信息)提供给系统100的其他装置(例如，控制器130)。用户界面用户接口 120还可以通过可适于执行实现本文描述的各种过程和/或方法的任意一个的指令(例如，软件指令)的一个或多个逻辑器件来实现。例如，用户界面用户接口 120可适于形成通信链路、发送和/或接收通信信息(例如，传感器信号、控制信号、传感器信息、用户输入、和/或其他信息)、确定各个坐标系和/或方位、确定用于进行一个或多个坐标系变换的参数、和/或执行坐标系变换，例如，或者适于执行各种其他过程和/或方法。
[0042]在各种实施例中，用户接口 120可适于接收用户输入，以便例如形成通信链路、为特定无线网络协议和/或无线链路选