[其他]寬帶聲納接收器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201290001089.8
• 申請(qǐng)日: 2012-10-26
• 公開（公告）號(hào): CN204495996U
• 公開（公告）日: 2015-07-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: P·斯托克斯;P·韋伯
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 菲力爾系統(tǒng)公司
• 主分類號(hào): G01S7/527
• 分類號(hào): G01S7/527;G01S15/10;G01S15/96;G01S7/02;G01S7/52
• 代理公司: 北京安信方達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11262
• 代理人: 張春媛;閻娬斌

相關(guān)申請(qǐng)

本申請(qǐng)要求于2011年10月26日提交的第61/551,875號(hào)和第61/551,890號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的權(quán)益，并要求于2012年3月6日提交的第61/607,435號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的權(quán)益。這些申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用全部包含于此。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明主要涉及聲納，更具體地涉及一種寬帶聲納接收器，并且涉及聲納信號(hào)處理算法。

背景技術(shù)

制造用于諸如探魚的商業(yè)應(yīng)用的調(diào)頻聲納系統(tǒng)通常面臨成本壓力。因此，先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)需要以高效的、成本效益好的方式來(lái)實(shí)施。例如，期望覆蓋諸如25kHz至255kHz的寬帶頻率范圍提供諸如1kW的相對(duì)高的功率。低頻適合深水操作，而高頻在淺水操作中提供了更好的分辨率。

所接收的信號(hào)功率很大程度上隨著聲納系統(tǒng)的操作深度而改變。從淺層目標(biāo)反射的聲納脈沖相對(duì)強(qiáng)。相反，由于深水反射的脈沖需要經(jīng)過(guò)更大的距離，所以從更深層目標(biāo)反射的聲納脈沖相對(duì)弱。因此，在淺水和深水中均能操作的聲納接收器必須適應(yīng)接收到的脈沖功率的寬動(dòng)態(tài)范圍，諸如120dB。

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)需要20bit的分辨率，以直接獲得這種大動(dòng)態(tài)范圍。在這一點(diǎn)上，20bit的分辨率意味著ADC能夠區(qū)分超過(guò)一百萬(wàn)個(gè)不同的振幅級(jí)別。這種高分辨率ADC成本昂貴，因此不適于商業(yè)運(yùn)作。

對(duì)于寬帶聲納系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，接收器的成本加劇。但還是期望寬帶操作的?原因在于，諸如啁啾脈沖的脈沖壓縮技術(shù)提供了增強(qiáng)的距離分辨率。在這一點(diǎn)上，聲納系統(tǒng)中的距離分辨率是有效脈沖長(zhǎng)度的函數(shù)。有效脈沖越短，距離分辨率越大。但是聲納性能還取決于對(duì)接收到的聲納脈沖來(lái)說(shuō)可實(shí)現(xiàn)的信噪比(SNR)。一般而言，對(duì)于發(fā)射脈沖來(lái)說(shuō)能量越大，則對(duì)于作為結(jié)果的接收到的脈沖來(lái)說(shuō)SNR越大。因此實(shí)現(xiàn)更高的SNR和更短的脈沖長(zhǎng)度彼此沖突，對(duì)于具有給定的發(fā)射功率的聲納系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，SNR隨著脈沖長(zhǎng)度的降低而降低。

脈沖壓縮技術(shù)使得聲納系統(tǒng)在不犧牲SNR的情況下實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的距離分辨率。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，可以跨過(guò)相對(duì)長(zhǎng)的脈沖范圍或長(zhǎng)度對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)頻。例如，圖1示出了接收到的調(diào)頻脈沖100的時(shí)域信號(hào)。如圖1所示，如果調(diào)頻為線性，則脈沖100一般表示為啁啾脈沖。然而，非線性調(diào)頻或相位調(diào)制也可以用于實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。

在脈沖壓縮聲納系統(tǒng)中，聲納接收器使復(fù)本脈沖(replica?pulse)105與接收到的脈沖100相關(guān)。作為結(jié)果的檢測(cè)峰110比最初的脈沖長(zhǎng)度窄得多，因此表現(xiàn)出脈沖壓縮效果。在啁啾的實(shí)施例中，有效壓縮的脈沖長(zhǎng)度T’(由檢測(cè)峰110的3dB寬度定義)等于1/Δf，其中Δf是跨脈沖100調(diào)制的頻差。所以有效脈沖變窄，但SNR仍然與最初的脈沖寬度相對(duì)應(yīng)。因此脈沖壓縮方法是用于實(shí)現(xiàn)更大的距離分辨率的普及技術(shù)。

脈沖100是未整形的，因?yàn)槠湓谒械念l率上具有恒定振幅。聲納接收器中未整形的脈沖與其復(fù)本的相關(guān)產(chǎn)生如圖1中所示的相對(duì)高的振幅距離旁瓣(range?sidelobe)。為了減少這些距離旁瓣，常見的是對(duì)諸如圖2中所示的發(fā)射脈沖200和對(duì)應(yīng)的復(fù)本脈沖205進(jìn)行振幅整形。作為結(jié)果的距離旁瓣比圖1中未整形的情況更低，但該整形導(dǎo)致了較低的發(fā)射脈沖功率，因此導(dǎo)致對(duì)于接收到的脈沖來(lái)說(shuō)的較低的SNR。而且，距離旁瓣的減少需要發(fā)射的信號(hào)與儲(chǔ)存的復(fù)本之間高度保真。因此，因傳播和反射導(dǎo)致的信號(hào)失真阻止了旁瓣電平的顯著改善。

對(duì)于聲納系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)有效的脈沖壓縮并仍具有良好的SNR并非唯一的挑戰(zhàn)。例如，探魚聲納系統(tǒng)需要抵抗諸如背景噪音或來(lái)自其它聲納系統(tǒng)的信號(hào)的各種干擾。這些干擾使區(qū)別底部回波的工作變得復(fù)雜并且遮蔽?了所期望的魚探測(cè)。為了解決干擾，比如因水的質(zhì)量、諸如浮游生物的懸浮顆粒物、以及溫躍層檢測(cè)導(dǎo)致的諸如雜波(clutter)，標(biāo)準(zhǔn)處理方案采用所檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間平均值。然而，時(shí)間平均值針對(duì)這些問(wèn)題的有效性非常有限。

因此，本領(lǐng)域需要改善的聲納系統(tǒng)，該聲納系統(tǒng)以低成本提供頻率捷變性能和相對(duì)高的功率。另外，本領(lǐng)域還需要改善的聲納系統(tǒng)，該聲納系統(tǒng)以低成本提供脈沖壓縮和旁瓣抑制。最后，本領(lǐng)域需要改善的聲納處理技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容