TWI398662B - 對海生哺乳動物提供低衝擊機率的聲納系統及方法 - Google Patents

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Description

對海生哺乳動物提供低衝擊機率的聲納系統及方法
本發明一般有關於一種聲納系統與方法，以及更尤其是有關於一種將聲音發射進入水中之主動式聲納系統與方法，其對海生哺乳動物提供減輕之衝擊。
有許多海生哺乳動物擱淺事件，在其期間與使用主動式聲納系統之海軍演習在位置地點與時間上重合。一般公眾之感受認為，由此主動式聲納系統所產生之聲音會造成海生哺乳動物身體組織之損害，而傾向於導致海生哺乳動物將其本身擱淺。如同所知，擱淺會在一些海生哺乳動物中造成死亡。
由於一般公眾對於海軍主動式聲納系統之負面感受，美國海軍已投入大量時間與金錢，對於低頻水下聲音對於人類與海生哺乳動物之影響進行科學研究，此導致一環境衝擊報告、以及目前正在進行對於此等海生哺乳動物事件原因之調查。
對於海軍主動式聲納系統與其他中頻主動式聲納系統之使用存在一般公眾之爭議。
提供一種通常對於海生哺乳動物無害之主動式聲納系統是有用的。然而，此種系統必須仍然符合海軍用於偵測、定位、及/或水下目標分類之任務須求。
關於海軍中頻主動式聲納系統對於海生哺乳動物之影響已產生一種假設。特別是其假設為：此由中頻主動式聲納系統所發射之特殊頻率經調變主動式聲音信號與由殺人鯨所產生之自然聲音信號共享類似之聲音特徵。此假設進一步建議：當此等海生哺乳動物偵測到一或更多個此種頻率調變聲音信號時，特別是由對於水底目標演習三角測量定位之複數個海軍船隻上聲納系統所產生之聲音信號，此等海生哺乳動物會感受到此為由一群獵捕獵物之殺人鯨所產生之聲音信號。此等受影響海生哺乳動物之感受會導致行為上“逃避”響應，以逃離此區域，而此會造成擱淺。
因而，更進一步假設，此突吻鯨類種特別受到此等特別中頻調頻聲音信號與三角測量演習之影響。如同為所知，全世界80種鯨魚與海豚類種之大約四分之一屬於突吻鯨(Ziphiidae)家族。然而，由於許多此等海生哺乳動物偏好深水棲息處，所以，此等海生哺乳動物與其行為之研究與知識是相當的新。
雖然有些人假設此等海生哺乳動物是由被海軍主動式聲納系統所發射聲音而受到生理上損害。但是，在海軍主動式聲納演習之後對此等自行擱淺上岸之突吻鯨解剖檢驗並未顯示有結論性證據：此等內出血或生理損害是由主動式聲納系統所造成，特別是由與此主動式聲納系統有關之高聲音壓力位準所造成。而且，亦未有證據以顯示： 此等海生哺乳動物經歷過彎曲(bend)(由於深度快速改變所造成快速解壓而使得氮氣湧入血流中)。因此，此等突吻鯨之擱淺被相信為：響應由海軍主動式聲納系統所產生特定頻率調變聲音信號之行為結果。
參考第1~1B圖，其以各種圖形格式呈現殺人鯨(Orca)之聲音記錄。參考第1圖，圖形10具有：水平軸，其單位為時間秒；以及垂直軸，其單位為任何振幅單位。曲線12為時間波形，其顯示由殺人鯨所產生之典型聲音信號。此時間波形被正常化以包含尖峰振幅，其存在於振幅界限±1.0之中。從此由殺人鯨所產生聲音之例可以看出，此波形具有大約1秒期間。曲線12各具有第一與第二部份12a、12b，其並無作為由殺人鯨所產生所有聲音之特徵。
現在參考第1A圖，圖形20具有：水平軸，其單位為頻率Hertz；以及垂直軸，其單位為振幅分貝。曲線12為功率譜，其由在第1圖波形12中所示殺人鯨整個發射期間上藉由計算單一傅立葉轉換記錄而算出。此功率譜曲線22被正常化以具有0分貝之尖峰。尖峰22a是與背景海洋雜訊有關。尖峰22a代表由殺人鯨所產生之聲音。
參考第1B圖，圖形30包括：水平軸，其單位為頻率；以及垂直軸，其單位為時間秒。曲線30為聲譜，其代表此根據第1圖之時間波形由殺人鯨所產生之聲音信號。第一曲線32a跨越大約1秒之持續時間，第二曲線32b跨越大約0.5秒之持續時間，第三曲線32c跨越大約0.3秒之持續時間。此等三個曲線32a~32c對應於第1圖之時間波形12，與第1A圖之功率譜22。各此等三個曲線32a~32c所具有頻率相對於時間而改變，隨著時間進行頻率變得較高。因此各此等曲線32a~32c為頻率範圍(在此亦稱為：線性調頻脈衝(chirp)或頻率調變聲音信號)，其傾向隨著時間而頻率增加。
在此圖形30中所呈現之第三因次是由各此等曲線32a~32c之強度所代表，其中，此等曲線32a~32c較黑部份代表較大聲音功率。
在第1B圖中所呈現之聲譜30(根據第1A圖之功率譜)被正常化，以包含0dB之尖峰功率位準。使用－40dB之底部以限制30至40dB聲譜位準之動態範圍。使用40dB動態範圍以允許描述此在256－值顏色圖上可以視覺解釋之聲譜30。
此等曲線32a~32c代表由此殺人鯨所產生之複雜聲音信號，其包括以諧波方式間隔之聲譜分量，此聲譜分量在此等頻率之廣大範圍上，以時間為函數而改變頻率。
假設只有一個殺人鯨造成由各第1、1A、以及1B圖之各此等曲線12、22、32a~32c所代表之聲音信號。此假設是根據第1B圖之此等此等曲線32a~32c之特徵，其具有類似之頻率vs斜率特徵。此等三個曲線32a~32c亦可同時開始。以此等獨立哺乳動物產生由此等曲線32a~32c所代表聲音之可能性被認為是非常低，此聲音具有：同時開始時間、類似頻率vs時間之斜率、以及以諧波方式間隔。
在第1B圖中之諧波分量明顯地顯得是由此殺人鯨自然產生，而不可能是信號記錄或信號處理人工行為之結果。如果此諧波分量是在記錄過程中導入而非由殺人鯨導入，則此諧波分量將可能是信號修剪之結果。然而，此等修剪傾向於在基本分量之奇數倍數處產生。這在第1B圖中並非此種情形，此等曲線32a~32c對應於奇數與偶數諧波。
可以瞭解由此等曲線32a~32c所代表之頻率範圍是在大約1kHz至5kHz之中頻帶中。在以下之討論中，將由此等曲線32a~32c所代表頻率範圍之一些特徵、與使用頻率範圍之典型波形之此等特徵比較，此後者代表由傳統中頻主動式聲納系統所使用之波形。
此等傳統主動式聲納系統所可以使用各種發射波形，可以根據所想要的目的或任務而選擇。此等典範波形包括但並不受限於：單一頻率聲調脈衝、線性頻率調變波形(LFM)、以及線性期間調變(LPM)波形(有時亦稱為：雙曲線頻率調變(HFM)波形、或對數相位調變波形)。
使用HFM波形可以提供各種效益，其包括：當接收Doppler干擾波形作為輸入時，可以減輕由相關處理所產生波形壓縮之退化。如同為所知，此HFM聲音信號將所謂的頻率調變法則最適化，而使用於具有大時間－頻寬乘積之Doppler影響聲音信號。假設此瞬間期間為線性而將此頻率調變法則最適化。由以下之式可以看出，斜率與y－截距參數控制此HFM波形。此此HFM波形可以描述如下：0≦t≦T0 A(t)＝振幅窗函數 T(t)＝T0 ＋bt＝瞬間期間 b＝瞬間期間之斜率 T0 ＝Y－瞬間期間之截距 式(1)
現在參考第2圖，此圖形40包括：水平軸，其單位為時間秒；與垂直軸，其單位為振幅。此曲線42代表由傳統聲納系統所產生聲音信號有關之典範時間波形。此時間波形具有：大約3500Hz之載體頻率、大約1秒之持續時間、以及大約1000Hz之頻寬。在此根據第1B圖之聲譜30所得之觀察而選擇：大約1秒之持續時間、與大約1000Hz之頻寬用於典範傳統波形42。選擇3500Hz之中心頻率而將典範HFM波形42置入於中間頻帶中。
在所顯示之特定時間軸，波形42之個別循環並不可見。然而，此在以下將更完整說明之彎曲振幅包絡42a、其代表典範振幅(或時間)窗(或加權函數)而為可見。此時間波形42被正常化以包含：在振幅界限±1.0中之尖峰振幅。此時間波形42具有調頻(FM)頻率範圍，其在此所示之時間軸亦為不可見。此FM範圍可以為雙曲線FM(HFM)頻率範圍。如同在此所使用，使用此名詞“chirp”以說明一種信號，其隨著時間從開始頻率至結束頻率而改變頻率。此FM時間波形42可以使用向上或向下頻率範圍以時間為函數而產生。在此例中，使用向上頻率範圍特徵。選擇此向上頻率範圍用於HFM波形之例，而與從記錄殺人鯨發射所產生聲譜中所觀察之行為一致。
此由第2圖之典範HFM時間波形42具有：由曲線42a之彎曲包絡函數所描述之時間振幅加權函數。此時間窗函數42a代表：使用α值1.5之高斯窗函數。
以下所作各種人為波形間性能表現之比較(其使用相同之時間－頻寬乘積而建立)，是根據此等自動相關與模糊函數。一些此等性能表現參數是由此等自動相關與模糊函數而導出，其包括但並不限於：在時間(或範圍)領域中所期望最大側邊波瓣(lobe)干擾位準；頻率(或Doppler)領域中所期望最大側邊波瓣干擾位準；在零Doppler情況下與其本身有關之波形最適理論範圍解析度(由此等半功率點控制)；藉由對於在零Doppler情況下與其本身有關之時間波形實施傅立葉轉換所產生之結果波形之最適理論Doppler解析度(由此等半功率點控制)；以及當此波形受到由具有未知相對徑向速度之此等目標所造成Doppler干擾之波形Doppler容忍限度之顯示。
為了在於此所討論之各種人工製造波形間建立有意義之性能表現比較，可以將單一性能表現參數保持一固定值，同時允許其餘性能表現參數可以改變。當與第2圖之典範HFM波形42比較時，可以將此被允許變化之性能表現參數對各波形比較，以便辨識與所選擇波形有關之此等效益及/或問題。
在此所使用之固定性能表現參數為：相對於複製品相關有關之最大尖峰之、最大可允許時間側波辦干擾位準(即，與其本身複製品波形之相關，而當此複製品與波形相同時，其可以為自動相關)。將此性能表現參數固定至－28dB之固定位準。
此用於具有平坦包絡(未圖示)之HFM波形之複製品相關過程之輸出導致：相對於相關波形尖峰之、最大時間側波辦干擾位準－13dB。為了建立相對於相關波形尖峰之、最大時間側波辦干擾位準－28dB，因而須要時間振幅加權函數，其可由振幅包絡42a代表。此使用1.5 α值之高斯窗函數導致：相對於相關波形尖峰之、最大時間側波辦干擾位準－28dB。
現在參考第2A圖，圖形50包括：水平軸，其單位為頻率Hertz；以及垂直軸，其單位為分貝。曲線52為功率譜，其代表根據第2圖之時間波形42由傳統聲納系統所產生之典範傳統HFM聲音信號。此功率譜為在第2圖中所描述波形整個期間上、藉由計算單一傅立葉轉換記錄而算出。此功率譜曲線52被正常化至0分貝，以致於此等所有位準相對於最大功率位準0dB而繪製。
曲線52代表上述時間波形42而具有：雙曲線FM頻率範圍、高斯振幅窗、大約3500Hz之載體頻率、大約1秒之持續時間、以及大約1000Hz之頻寬。
第2圖之發射時間波形42(線性調頻脈衝)具有：與由許多傳統主動式聲納系統所使用聲納硬體有關之有利發射性質。此線性調頻脈衝42亦具有：相對於聲納接收器信號處理之許多有利特徵。不同於線性FM線性調頻脈衝，此HFM線性調頻脈衝波形所具有功率位準與頻率成反比。然而，將可瞭解在當使用分貝軸繪圖時，上述窗傾向於影響：此在功率譜52中看出此頻率依賴功率特徵之能力。此頻率依賴功率位準，其在功率譜52中為明顯，是由HFM波形之頻率依賴功率特徵與上述功率窗函數所造成。
現在參考第2B圖，圖形60具有：水平軸，其單位為頻率；以及垂直軸，其單位為時間秒。曲線60為聲譜，其代表此根據第2圖之時間波形42與第2A圖之功率譜52由傳統聲納系統所產生之典範傳統HFM信號。第一曲線62跨越大約1秒之持續時間。曲線62所具有頻率相對於時間而改變，隨著時間進行頻率變得較高，且具有由殺人鯨所產生之類似於第1B圖之此等曲線32a、32b、以及32c之頻率掃描率與頻率範圍。
在此圖形60中之第三因次是由各曲線62之強度所代表，其中，曲線62較黑部份代表較大聲音功率。
當將第1圖之殺人鯨波形與在此所說明人為製造波形比較時，將背景雜訊加至第2圖之時間波形42，以確保存在類似背景雜訊特徵。聲譜圖60是由此所產生背景雜訊加上HFM波形信號之和而計算出。此所加至人為製造HFM波形42之雜訊背景是在當沒有殺人鯨聲波發射時，藉由在Ocea錄音中之海洋聲音取樣而獲得。
如同第1B圖之聲譜圖30，將第2B圖之聲譜圖60正常化，以具有0dB之尖峰功率位準。使用－40dB之底部將此聲譜圖之動態範圍限制至40dB。使用此40dB動態範圍，以允許描述此在256－值顏色圖上可以視覺解釋之聲譜圖。
曲線62顯示在有限期間脈衝長度上，此作為時間函數之頻率向上掃描之窄聲頻帶聲調分量。可以看出，此代表由傳統HFM聲納系統所產生信號之曲線62，其所具有特徵(例如：調變、持續時間、聲頻帶寬、中心頻率、掃描率)類似於此等代表由殺人鯨所產生聲音之第1B圖之此等曲線32a~32c者。此類似性提供證據以支持上述假設：使用此等型式線性調頻脈衝HFM信號之海軍船隻、由於使得此等海生哺乳動物感受到殺人鯨就在附近，而導致某些海生哺乳動物擱淺上岸。
此由以下圖形所代表之殺人鯨信號：第1圖之時間波形12、第1A圖之功率譜曲線22、第1B圖之聲譜曲線32a~32c，與此由以下圖形所代表之傳統聲納HFM信號：第2圖之時間波形42、第2A圖之功率譜52、第2B圖之聲譜曲線62，存在於由傳統聲納系統所使用之中頻帶中。如同在此所使用，此中頻帶是從大約1kHz至大約5kHz。此等信號12、42通常具有大約1秒之脈衝長度(持續時間)。此等信號12、42所包含之頻率分量如同上述存在於中頻帶中。而且，此等信號12、42具有聲調分量，其以大約每秒1kHz類似速率在1kHz頻寬上之頻率中向上掃描。
雖然此殺人鯨聲音信號12與傳統HFM聲音信號42並不相同，但其顯得足夠類似，以致於聽到此人工製造線性調頻脈衝HFM信號42之一海生哺乳動物會以逃避響應而反應，導致其擱淺上岸。
即使對於傳統HFM聲音信號42實施簡單人類聽覺評估，當其與殺人鯨所產生聲音信號12比較時，而顯示此以自然方式所產生殺人鯨聲音信號12與人為產生HFM線性調頻脈衝42所發出聲音彼此類似。在此等兩個信號間聲音感受之類似性進一步建議：此等海生哺乳動物會將人為產生HFM線性調頻脈衝信號誤解為由殺人鯨所產生之聲音。
從以上討論可以瞭解，第2圖之時間波形42是以向上頻率掃描特徵產生。然而，使用於傳統主動式聲納系統中之FM線性調頻脈衝波形，可以向上或向下頻率掃描特徵產生。此向下掃描特徵經觀察為在一些時候由一些殺人鯨所產生。因此，並非不合理以假設此向下掃瞄波形會在一些海生哺乳動物中造成相同負面響應。
如同以上說明，此等特定波形是根據其特定目的與任務例如：目標之偵測、定位、追蹤、或分類，而由此等主動式聲納系統使用。此選擇用於特定目的或任務之特定波形，對於整體性能表現具有主要影響。此等被使用而在聲納系統中產生聲音信號之波形之特徵為各種特徵，其包括但並不受限於：調變、脈衝期間、中心頻率、頻寬、頻率掃瞄率、時間振幅窗函數、以及信號能量(或尖峰聲音壓力位準)。
此等具有各種信號特徵(例如：調變、持續時間、中心頻率、頻率掃瞄型式與速率、頻寬、振幅加權)之頻率調變線性調變脈衝波形、由此等現代聲納系統使用於：問題偵測、定位、追蹤、以及分類。因為，此系統之各種性能表現參數是互相相關，此等波形是根據實際考慮而產生。應瞭解，由於此等性能表現參數是互相相關，因此，將用於一特定性能表現參數之一波形最適化，對於其他此等性能參數經常會有非所欲(負面)之影響，以致於波形之選擇在基本上是一種抵換作業。
當選擇聲納波形時所考慮之一些問題包括但並不受限於以下此等考慮：此硬體是否可以支持持續之線性調變脈衝波形，或其較佳適用於此等離散頻帶之短期間發射？此發射器是否可以支持此等複雜波形？此發射器是否有頻寬限制？此發射器所設定之波形發射時間之範圍？用於此系統之所想要之最大偵測範圍？從此匹配濾波處理所想要之增益位準？所想要之範圍解析度？所想要之Doppler(或相對速率)解析度？設計者/操作者所想要減輕介質效應(即，由於展開介質之波形失真)？操作者是否更關心在Doppler或範圍中之側波瓣位準？操作者是否想要減輕由於Doppler失真所造成之脈衝壓縮處理退化。
如同以上說明，此評估聲音信號偵測目標與辨識至目標之範圍之能力、可以使用自動相關與有關模糊函數而實施。此自動相關包括將波形與其本身相同之拷貝(即，複製品)相關。自動相關是此波形與本身之相關且為一般交互相關之更限制函數。此對於一波形執行自動相關函數、為對於非相關雜訊存在中此波形，由匹配濾波器(即，波形壓縮)提供最適理論增益。此在相關處理前所計算信號能量對雜訊能量比、與在相關處理後所計算信號能量對雜訊能量比之比較，可以提供與此波形壓縮有關之增益(其與時間－頻寬乘積有關)。此與由相關處理所產生輸出信號尖峰位置有關之時間延遲，提供用於所接收聲音信號之所計算時間延遲，其對應於至目標之距離。
使用此自動相關函數提供所匹配濾波器表現之測量，且顯示相對應理論距離決定準確度(定位)，其可以具有任何信號特徵例如：調變、持續時間、中心頻率、頻寬、以及信號能量之所發射聲音信號而獲得。
此自動模糊函數(或更簡單，為模糊函數)允許以兩度空間研究此匹配濾波器之性能表現(由於在此主動式聲納系統與目標間相對移動所產生之時間延遲與Doppler位移)。此模糊函數可以提供：此具有特定信號特徵之所發射聲音信號之決定此目標距離作為此目標相對徑向速率(即，Doppler頻率)函數之能力之評估。在此頻率/Doppler因次中之模糊圖顯示此波形辨識目標相對速度之能力。為達此目的，此模糊函數使用與此所發射聲音信號有關之所儲存波形作為參考。此所儲存之波形為此匹配濾波器之脈衝響應。此匹配濾波器之脈衝響應與此參考信號之數個時間延遲與時間失真版本捲積(convulved)，而在各相對速率情況產生此等相關輸出波形。
偵測此相對於聲納以未知徑向速度移動之此等目標，由於所接收波形之失真(例如，Doppler位移)而變得困難。此所接收波形由於聲納與目標間相對移動而變得失真。此目標之相對移動對於所發射出而被接收之波形產生壓縮效應或延長效應。此效應為延長或壓縮是與此目標相對於聲納系統之方向有關。此波形失真導致匹配濾波器性能表現之退化，因為此所接收波形不再理想地匹配於所發射波形(忽略此等所有其他效應)。此退化之匹配濾波器性能表現意味著：此相關過程提供較設計為小之信號處理增益，此對於在雜訊存在下此系統偵測信號之能力具有直接影響。
一些傳統主動式聲納系統在Doppler消去處理中測量且使用船隻本身速率，以嘗試處理此由此具有相對徑向速度目標所反射聲音信號中所期望之Doppler位移。然而，當此目標與船隻是與此移動船隻與靜止目標之情況相反而移動時，在大部份時間，最初此目標之實際相對徑向速率為未知。此模糊函數提供一種方式以計算模糊圖。此模糊圖提供一種方式，使得此波形設計者可以在同時，在範圍(時間)與Doppler(頻率)因次評估數個性能表現參數。當此設計者對於此等波形特徵作改變時，可以在此等兩個因次中檢驗：在此所期望性能表現(在此匹配濾波階段)上所產生此等性能表現之影響。以此方式可以設計波形，以在一個因次中符合性能表現須求，而在另一個因次中具有可以接受之性能表現損失。
許多主動式聲納系統嘗試：將此由具有未知相對徑向速率目標所產生與相關處理有關性能表現退化最小化。一種可使用將此性能表現退化最小化之方法為：選擇一所發射信號，其所具有特徵在所接收聲音信號有Doppler失真之存在中，(相對於此相關處理)傾向於提供相當低程度之性能表現退化。此種所發射之信號通常稱為“Doppler容許波形”。以上所說明HFM波形為此種Doppler容許波形。
另一種可使用將此性能表現退化(與此匹配濾波器處理有關)最小化之方法為：使用在相對應複數個平行匹配濾波器(例如：複數個平行交互相關)中，與所發射聲音信號有關之所儲存波形之複數個Doppler位移複製品，因此將其各調整至特定Doppler位移(即，目標相對徑向速度)。在此種情形中，Doppler容許波形並非必須。此所接收信號與所發射信號之各複數個複製品平行處理。藉由選擇此導致最佳相關輸出之複製品而可以：藉由在相關輸出中之尖峰而偵測目標；藉由尖峰之時間延遲而辨識至目標之距離；以及由於決定與此產生最佳相關輸出之複製品有關頻率，而可以辨識相對速率。然而，將可瞭解，使用此等平行處理通道須要實質上增加接收器處理負載。
最後，可以使用將性能表現退化(與所匹配濾波器處理有關)最小化之另一種技術為：在發射序列中使用一組多個波形型式。設立各波形型式，而將提供不同資訊件之能力最適化。例如，發射序列可以使用四個FM發射，接著為一單一頻率聲調波形發射。以大的時間－頻寬乘積設置寬帶波形(FM)，以導致最適波形壓縮，以及因此在時間/距離因次中，將相關器輸出與偵測過程最適化。此單一頻率聲調可以具有此等特徵，其藉由將頻率內容最小化、且因此將判斷目標Doppler位移(即，相對徑向速率)之能力最適化，而將在Doppler因次中之偵測過程最適化。一回饋機構允許將此由Doppler發射所獲得資訊提供回至Doppler去除處理，藉由調整複製品波形而將相關輸出(即，偵測過程)最適化。在此情形中，將可瞭解使用此等多個波形須要：增加接收器處理，增加系統發射設計，以及對於各Doppler發射/接收周期會犧牲一距離/承載資訊發射/接收周期。
此等由主動系統所使用於距離/承載評估之兩個共同波形為：線性FM波形與雙曲線FM波形。各此等信號波形具有其效益與缺點，此對於此技術有一般知識者為已知。
根據本發明提供一種聲納系統，其包括一低海生哺乳動物衝擊機率波形產生器，其適用於產生一低海生哺乳動物衝擊(LPMMI)機率波形，而具有一調變分量、一持續時間分量、一頻寬分量、以及一中心頻率分量。此聲納系統亦包括一聲納發射器，其耦接至此波形產生器，且適合用於根據此低海生哺乳動物衝擊機率波形，將聲音信號發射進入水中。選擇此LPMMI波形之調變分量，以減少來自海生哺乳動物之行為響應，此種行為響應是在當根據另一波形發射另一聲音信號時發生，該另一波形具有與該LPMMI波形大致相同持續時間分量、大致相同頻寬分量、以及大致相同中心頻率分量，但具有包括頻率調變之調變分量。在此聲納系統之一些實施例中，此LPMMI波形包括：此具有展開聲譜之低攔截機率(LPI)波形。
根據本發明之另一觀點，本發明提供一種使用於聲納系統中之目標偵測方法。此方法包括產生一種其適用於產生一低海生哺乳動物衝擊(LPMMI)機率波形，而具有一調變分量、一持續時間分量、一頻寬分量、以及一中心頻率分量。此方法亦包括根據此低海生哺乳動物衝擊機率波形，將聲音信號發射進入水中。選擇此LPMMI波形之調變分量，以減少來自海生哺乳動物之行為響應，此種行為響應是在當根據另一波形發射另一聲音信號時發生，該另一波形具有與該LPMMI波形大致相同持續時間分量、大致相同頻寬分量、以及大致相同中心頻率分量，但具有包括頻率調變之調變分量。在本方法之一些實施例中，此LPMMI波形包括：此具有展開聲譜之低攔截機率(LPI)波形。
本發明之上述此等特徵與本發明本身，可以由於此等圖式之以下詳細說明而獲得更完整地瞭解。
如同在此說明，使用此名詞“聲音信號”以說明此可以在水中傳播之壓力信號。如同在此說明，使用此名詞“波形”以說明此存在於各種介質中之信號。例如，波形可以為在電子電路中之電壓信號。作為另一個例子，波形可以為一聲音信號。此波形與聲音信號可以各具有此等信號特徵，其包括但並不限於：持續時間(例如：脈衝之持續時間)、頻寬、中心頻率、大小或強度、調變、以及頻率掃瞄速率。其將明顯，可以使用具有此等特定信號特徵之電子電路中之電子波形，以產生具有相同或類似信號特徵之有關聲音信號。因此，當在此討論波形時，將可以瞭解可以將此等相同或類似特徵應用至：由此波形所代表之電子信號，與由此波形所代表之聲音信號。
本發明是關於使用於主動式聲納系統中之此等波形，其提供目標偵測、定位、追蹤、及/或分類能力，此類似於使用FM波形(線性與雙曲線)與有關聲音信號之上述傳統聲納系統，而在同時具有此等信號特徵，以避免或減少對於海生哺乳動物之損害。此等波形與有關聲音信號在此稱為“低海生哺乳動物衝擊”(LPMMI)機率波形與有關聲音信號。
如同在此使用，使用此名詞“低攔截機率”(LPI)波形與有關聲音信號，以描述一族波形與有關聲音信號，其由不具LPI信號之特殊特徵知識之外部觀察者通常難以偵測到。此所謂展開聲譜信號是一種型式LPI信號。此展開聲譜信號在此整個相當寬之頻帶寬度中具有雜訊似之特徵。如同由以下討論將為明顯，當LPI聲音信號具有某些特徵時，其亦可以為LPMMI聲音信號。
雖然以下所說明一些特殊型式之低攔截機率(LPI)波形可以提供低海生哺乳動物衝擊機率，亦可以使用其他型式LPI波形，以提供低海生哺乳動物衝擊機率。此外，雖然此等波形之特殊例子具有以下所說明之：特定載體頻率、頻寬、持續時間、調變、及/或頻率掃瞄速率。應瞭解，亦可以使用具有其他載體頻率、頻寬、持續時間、調變、掃瞄速率、及/或其他特徵之此等波形，以提供LPMMI波形。
如同為已知，此所謂M－序列為具有此等偽隨機特徵之二進位狀態序列。一M－序列可以藉由：稱為最大周期線性二進位偽隨機序列產生器、或更簡單地稱為偽隨機序列產生器之位移暫存器結構而產生。此位移暫存器結構包含M個二進位單元，其各具有一狀態而為0或1。在操作中，使用二進位向量加法以決定一所產生之二進位數字序列。一偽隨機序列產生器經由一組L=2n -1狀態而周期性地循環。
將可以瞭解，在此偽隨機序列產生器之替代配置中，此M-序列亦可以由此等偽隨機數位值產生，此等值儲存於固態記憶體或類似者中，且其可以依序重新呼叫出。
可以使用此M-序列以產生一相位移鍵入(PSK)波形與有關聲音信號(在此亦稱為相位編碼信號)。例如，當此M-序列具有0狀態時，此聲音信號之相位為第一相位值，當此M-序列具有1狀態時，此聲音信號之相位為第二相位值。在一些配置中，此第一與第二相位值相差180度。
此M-序列相位編碼信號可以下式說明：x(t)=A(t)cos(2πfc t+m(t)ΘL )，而A(t)=窗函數fc =載體頻率(Hz)m(t)=偽隨機碼±1 ΘL =相位移 式(2)
雖然，在此所說明之此等系統與方法可以使用LPMMI波形，在一些實施例中，此等系統與方法可以使用一組(即，複數個)LPMMI波形，其可以為使用將為明顯技術之不同的LPMMI波形。此組LPMMI波形之成員可以具有：不同的調變分量、不同的頻寬分量、及/或不同的中心頻率分量。此組亦可以包括傳統之非－LPMMI波形。
現在參考第3圖，圖形70具有：水平軸，其單位為時間秒；以及垂直軸，其單位為相位角度。曲線72代表具有兩個狀態之偽隨機數位碼之至少一部份。此兩個狀態為：高與低狀態，在此顯示為例如＋90度與－90度之兩個信號相位，其將在以下與第3A圖一起說明。曲線72可以僅顯示較長偽隨機碼之一部份。如同以上說明，在一些實施例中，此碼之長度可以由：在此位移暫存器偽隨機碼產生器中位移暫存器之數目而決定。在其他實施例中，此碼之長度可以由：此儲存於記憶體中作為偽隨機碼之位元數目之計數而決定。
現在參考第3A圖，圖形80具有：水平軸，其單位為時間秒；以及垂直軸，其單位為振幅之正常化單元。曲線82代表相位移鍵入(PSK)正弦波形，其根據第3圖之偽隨機碼72之狀態，在＋90度與－90度間改變相位。曲線82可以僅顯示此較長PSK波形之一部份，其跟隨較第3圖之曲線72為長之偽隨機碼。此曲線82代表此可發射進入水中之波形與有關聲音信號。
在一特殊實施例中，此M－序列相位編碼波形(例如：82)具有：大約3500Hz之載體(中央)頻率、大約1000Hz之頻寬、以及大約0.9809秒之持續時間。此等信號特徵導致一種具有中心頻率、頻寬、以及脈衝期間之聲音信號，其類似於以上與第1~1B圖一起說明之由殺人鯨所產生之自然聲音信號。此等信號特徵亦導致具有時間－頻寬乘積之聲音信號，其類似於以上與第2~2B圖一起討論之傳統HFM波形42。
可以使用其他此等M序列、或此等M序列之組合，以產生具有不同期間、頻寬、以及中心頻率之其他展開聲譜波形。此等信號頻寬有用範圍為大約2500至6000Hz。此等波形頻寬有用範圍為大約500至2500Hz。此等持續時間有用範圍為大約10msec 至1.5sec。
當保持未設窗(即，未施加時間振幅窗)時可以顯示：此相位編碼波形82可以達成最適波形壓縮。因此，此M－序列相位編碼波形82可以保持未設窗(即，具有矩形波串(boxcar)包絡)。以此配置，則在此自動相關函數中所獲得之最大側波瓣干擾位準為－29dB。
當未設窗(即，當其具有平坦振幅窗)時，此等相位編碼M－序列信號可以獲得最適表現。此藉由將此M－序列相位編碼展開聲譜波形經過複製相關所獲得時間側波瓣干擾位準，其被使用作為固定表現參數，而用於對於所有在此所討論人為製造波形之時間側波瓣干擾位準。
此藉由在波形82上實施自動相關函數所產生之結果波形(未圖示)造成相關尖峰，其所具有半功率點對其尖峰分開0.749ms，其可以被轉換成：使用1500m/sec聲音速度之0.562m之距離解析度。
亦評估此第2圖之典範HFM波形42，其具有相等之時間－頻寬乘積、與相同之時間側波瓣干擾位準(在其自動相關中)。此藉由在波形42上實施自動相關函數所產生之結果波形(未圖示)造成相關尖峰，其所具有半功率點對其尖峰分開1.237ms，其可以被轉換成：使用1500m/sec聲音速度之0.928m之距離解析度。因此，相較於上述用於第2圖之傳統窗型HFM波形42之0.928m，此波形82提供0.562m之理論距離解析度(如同由此等半功率點或－3dB點所界定)。
現在參考第3B圖，圖形90具有：水平軸，其單位為頻率Hz；以及垂直軸，其單位為分貝。曲線92為聲音信號之功率譜，其可以根據第3A圖之PSK聲音信號82由一聲納系統產生。此功率譜曲線92被正常化至0dB，以致於所有位準相對於0dB之最大功率位準而繪製。
此曲線92代表上述PSK時間波形82，其具有：偽隨機相位位移、大約3500Hz之載體頻率、大約1秒之持續時間、以及大約1000Hz之頻寬。
曲線92具有一主波瓣92a與複數個側波瓣，其側波瓣92b僅為一例。對於此技術有一般知識人士瞭解，此曲線92之波瓣結構為第3A圖之偽隨機碼波形82之結果。將可以瞭解此主波瓣92a之寬度94與第3圖之偽隨機碼72之位元速率有關。因此，此主波瓣92a可以具有根據所想要時間－頻寬乘積所選擇之寬度94。對於此技術有一般知識人士瞭解，時間－頻寬乘積與聲納系統之偵測性能表現有關。在此處，對於一秒脈衝期間，此時間-頻寬乘積大約為1000。
此第3圖之PSK時間波形80稱為展開聲譜波形，其根據此特徵以致於所產生之寬帶聲譜92是藉由：將窄帶聲譜分量(其為單頻率聲調而在所想要之載體頻率具有兩個相位)、藉由相位調變方式在聲譜80上展開而達成。
現在參考第3C圖，圖形100包括：水平軸，其單位為頻率；以及垂直軸，其單位為時間秒。圖形100為聲譜圖，其代表可以由聲納系統根據第3A圖之PSK波形82而產生之聲音信號。聲譜圖100之聲譜圖特徵102跨大約1秒之時間期間，且對應於第3A圖之時間波形與第3B圖之功率譜92。
特徵102包括：一主要特徵102a，其對應於第3B圖之功率譜曲線92之主要葉辦92a；以及此等次要特徵，其中次要特徵102b僅為一例。此次要特徵102b對應於第3B圖之側波瓣92b。
此主要特徵102a根據第3B圖之主要葉辦92a，具有大約1kHz頻率寬度，其由殺人鯨所產生而類似於第1B圖之曲線32a、32b、32c者，且類似於第2B圖之曲線62，其代表由傳統HFM聲納系統所產生之聲音。當將殺人鯨波形與人為製造波形相比較時，則將背景雜訊加至時間波形82(在第3A圖中所描述一件)，以確保呈現類似之背景特徵。此聲譜圖100是將背景雜訊加上PSK波形82(第3A圖)所產生之和計算而得。此加至人為製造PSK波形之背景雜訊是在，當並不存在殺人鯨所發射聲音時，藉由將在此殺人鯨錄音中之海洋聲音取樣而獲得。
不同於上述由殺人鯨所產生之自然聲音信號12(第1圖)或人為製造FM線性調頻脈衝信號42(第2圖)，此偽－隨機PSK聲音信號82加上雜訊之聲譜圖100並不具有：在任何給定時間包含所有波形能量之窄頻帶聲調分量，其頻率變化是時間函數。而是此PSK聲音信號82具有相當靜止之寬頻聲譜。在聲音信號82之情形中，可以看出此波形能量對於此發射之整個期間跨此聲譜展開，以致於在任何給定時間任何頻率其能量較：在任何給定時間任何頻率與此窄頻帶掃瞄波形(例如：第2圖中之42)有關之波形能量低許多。
此用於M－序列相位編碼波形之聲譜圖100與：自然殺人鯨聲音信號之聲譜圖30(第1B圖)、以及HFM聲音信號之聲譜圖60(第2B圖)大不相同。雖然，所有此等有關時間波形與有關聲音信號具有：類似頻寬、中心頻率、以及持續時間。
對於人類觀察者而言，此根據第3A圖聲譜100所產生之展開聲譜聲音信號、與第1B圖聲譜30所代表而由殺人鯨所產生之聲音、或由HFM聲納系統所代表之聲音，實質上並不相同。就一般而言，對於人類觀察者，此展開聲譜聲音信號聽起來像是短暫之噓聲，而此等其他信號聽起來像是鳥之啁啾。因此，海生哺乳動物將不會感受到：此展開聲譜聲音信號是由殺人鯨所產生。
可以使用此相同或類似第3A圖之M－序列相位編碼波形82之展開聲譜波形，而在主動式聲納系統中產生聲音信號。此所產生之聲音信號可以具有與上述第2圖之傳統HFM聲音信號42相同或類似之特徵，例如：相同的持續時間(大約1秒)、中心頻率(大約3500Hz)、頻寬(大約1kHz)、以及來源位準(在1m深大約220dB re 1 μ Pa)。
各種因素可以顯示任何聲納系統之理論上性能表現。此協助判斷此聲納系統之偵測處理部份之性能表現、而與信號處理有關之此等因素包括但並不受限於：此所發射聲音之時間－頻寬乘積、聲音信號之複製品相關之尖鋒至側波瓣位準、中心頻率、頻寬、以及聲音信號之持續時間。
此在真實海洋情況下聲納系統之實際性能表現更受到與：系統硬體、信號處理其他階段有關之各種額外因素，以及環境因素之影響。一些額外環境因素包括但並不受限於：在混響(reverberation)存在中性能表現之退化、存在多通路接收回音、以及在聲納系統與目標間所存在之相對速度。此相對速度之影響在以上與第2圖一起討論。此等額外環境因素亦可以包括：來自水中而為頻率函數之聲音吸收之影響。此額外硬體因素之例包括：此放大器與聲音轉換器(transducer)(在發射部份中)能夠發射聲音信號之準確度，此聲音信號準確地代表所想要之波形。例如，為已知的是此聲音轉換器具有機械特徵，其在所產生的波形上給予頻寬濾波。因此，此所發射之聲音信號具有：由此等機械特徵所產生之失真。
此使用PSK展開頻譜聲音信號之聲納系統理論上可以具有：與使用傳統HFM波形相同系統實質上相同之偵測、定位、追蹤、以及分類能力。然而，此PSK展開頻譜聲音信號應不會造成海生哺乳動物將其本身擱淺上岸。因此，此PSK展開頻譜聲音信號為一種有用之LPMMI聲音信號。
現在參考第4圖，圖形110具有：水平軸，其單位為時間秒；以及垂直軸，其單位為相位角度。曲線112代表根據基因演算法所產生典範數位碼之至少一部份，且具有兩個狀態，一高狀態與一低狀態，其在此顯示為兩個信號相位＋90度與－90度，而在以下與第4A圖一起進一步說明。曲線112可以顯示此除了一部份之較長數位碼。在一些實施例中，此碼之長度可以藉由電子碼產生器而判斷。在其他實施例中，此碼之長度可以藉由此等儲存於記憶體中作為基因碼之位元數目計數而判斷。
此等基因演算法為隨機最適化方法，其模擬自然生物進化行為。此等基因演算法使用此最適類種(碼)生存之原理，以判斷可能解決方案(碼)之母體，以便產生最適解決方案(碼)。根據其適應位準選擇個體且將其集合在一起(將其組合)，而在各世代產生一組新的近似。此過程之進展導致此等個體(碼)之母體，其較由其所產生之個體更適應(更最適化)於其環境。
此基因演算法可以處理各種特徵之最適化或改善。在此聲納系統與其最適化偵測性能表現之情形中，可以使用基因演算法以產生典範基因碼112。在一些實施例中，此所產生之基因演算法碼可以將此自動相關函數之輸出之尖峰至側波瓣位準最適化。然而，在一些實施例中，此基因演算法可以將其他特徵最適化或改善，其包括但並不受限於：自動相關函數輸出尖峰之寬度、聲納系統偵測之機率、聲納系統之錯誤警告率、聲納系統之定位準確度、聲納系統之追蹤準確度、聲納系統之分類準確度、或在偵測、定位、追蹤、或分類操作模式中此聲納系統之聲音輸出功率。
可以使用基因演算法，以一組給定輸入情況與所想要性能表現參數，以導出最適樣本，而以此性能表現參數判斷由此演算法所產生之樣本。此等基因演算法對於問題之廣大範圍非常有用。在此處將基因演算法使用於此等例中，以產生二進位狀態相位碼(例如，包括若干個序列之±1)，其可以取代與以上第3圖一起說明之M－序列產生相位碼。由以下討論將成為明顯。此等使用基因演算法所產生碼之PSK波形顯示相同所想要之性能表現。雖然，在此所討論之基因演算法用於產生二進位碼，在一些替代配置中，使用此等基因演算法以產生最適相位碼(其被使用以產生展開聲譜波形)，而此等相位碼包括三或更多狀態(例如，在PSK波形中造成三個或更多相位)。
現在參考第4A圖，圖形120具有：水平軸，其單位為時間秒；以及垂直軸，其單位為正常化之振幅單位。曲線122代表相位移鍵入(PSK)正弦波形，其根據第4圖之數位碼112之狀態，在＋90度與－90度之間改變相位。曲線122可以只顯示此較長PSK波形之一部份，其跟隨較第4圖之曲線112為長之基因碼。曲線122代表可以發射進入水中之聲音信號。此曲線112並不具有振幅加權’如同於以上與第2圖一起說明之HFM波形42產生中所使用。
在一特定實施例中，此使用由基因演算法所導出相位碼之展開頻譜波形(例如，112)(在此亦稱為基因演算法相位編碼信號)具有：大約3500Hz之載體(中心)頻率、大約1000Hz之頻寬、以及大約0.9809秒之持續時間。此等信號特徵導致具有中心頻率、頻寬、脈衝期間之信號，其類似於與以上第1－1B圖一起呈現之由殺人鯨所產生之自然聲音信號。此等信號特徵亦導致具有時間－頻寬乘積之信號，其類似於與以上第2－2B圖一起討論之傳統HFM信號。
可以使用由基因演算法所產生其他碼或此等碼之組合，以產生具有不同期間、頻寬、以及中心頻率之展開頻譜波形。信號頻寬之有用範圍為大約2500至6000。波形頻寬之有用範圍為大約500至2500Hz。持續時間有用範圍為大約10msec至1.5sec。
如同以上討論，亦可使用此具有二進位狀態以外信號特徵之相位碼序列，以產生之展開頻譜波形。此基因演算法可以提供最適非－二進位狀態相位碼。
此藉由在波形122上實施自動相關所產生之結果輸出(未圖示)具有理論相關寬度0.763ms(由關於尖峰之半功率點所控制)，其可使用1500m/sec之聲音速度轉換成0.573m之距離解析度。如同以上與第2與3圖一起說明，此波形122可以根據此與相關波形中最大時間側波瓣干擾位準－28dB有關之固定性能表現參數而產生，以致於此波形之此等性能表現參數可以與：第2圖典範HFM波形42之性能表現參數、以及第3A圖之展開頻譜波形82之性能表現參數相比較，其使用第3圖之M－序列相位碼72而產生。波形122相較於以上說明用於第2圖傳統窗HFM波形42之理論距離解析度0.928m，提供0.763m之理論距離解析度，用於相同相對時間側波瓣干擾位準。
現在參考第4B圖，圖形130包括：水平軸，其單位為頻率Hz；以及垂直軸，其單位為分貝。曲線122為聲音信號之功率譜，其根據在第4A圖PSK時間波形122由聲納系統產生。。此功率譜曲線132被正常化為0分貝，以致於所有位準相對於最大功率位準0dB繪製。
此曲線132代表第4A圖之上述PSK時間波形122，此波形具有根據第4圖相位碼112之相位移，而由基因演算法所導出，其具有：大約3500Hz之載體)頻率、大約1秒之持續時間、以及大約1000Hz之頻寬。
曲線132具有一主波瓣132a與複數個側波瓣，其側波瓣132b僅為一例。對於此技術有一般知識人士瞭解，此曲線132之波瓣結構為第4A圖之基因碼波形122之結果。將可以瞭解此主波瓣132a之寬度134與第4圖基因碼112之位元速率有關。因此，此主波瓣132a可以具有根據所想要時間－頻寬乘積所選擇之寬度134。對於此技術有一般知識人士瞭解，時間－頻寬乘積與在雜訊中信號偵測能力有關。因此，對於一秒脈衝期間，此時間－頻寬乘積大約為1000。
此第4A圖之PSK時間波形122稱為展開聲譜波形，其根據此事實以致於結果之寬帶聲譜132是藉由：將窄帶聲譜分量(其為單頻率聲調而在所想要之載體頻率具有兩個相位)、藉由相位調變方式在聲譜130上展開而達成。
現在參考第4C圖，圖形140包括：水平軸，其單位為頻率；以及垂直軸，其單位為時間秒。圖形140為聲譜圖，其代表可以由聲納系統根據第4A圖之PSK波形122而產生之聲音信號。聲譜圖140之聲譜圖特徵142跨大約1秒之時間期間，且對應於第4A圖之時間波形122與第4B圖之功率譜132。
特徵142包括：一主要特徵142a，其對應於第4B圖之功率譜曲線132之主要葉辦132a；以及此等次要特徵，其中次要特徵142b僅為一例。此次要特徵142b對應於第4B圖之側波瓣132b。
此主要特徵142a根據第4B圖之主要葉辦132a，具有大約1kHz頻率寬度；其類似於第2B圖之曲線32a、32b、32c之情況，而由殺人鯨所產生；且其類似於第2B圖之曲線62之情況，其代表由傳統HFM聲納系統所產生之聲音。當將殺人鯨波形與人為製造波形相比較時，則將背景雜訊加至第4A圖之時間波形122(其部份顯示於第4A圖中)，以確保呈現類似之背景特徵。此聲譜圖140是將所產生背景雜訊加上PSK波形之和計算而得。此加至人為製造PSK波形之背景雜訊是在，當並不存在殺人鯨所發射聲音時，藉由將在此殺人鯨錄音中之海洋聲音取樣而獲得。
不同於上述由殺人鯨所產生之自然聲音信號或人為製造FM線性調頻脈衝信號，此PSK聲音信號122加上雜訊之聲譜圖140並不具有：在任何給定時間包含所有波形能量之窄頻帶聲調分量，其頻率範圍是時間函數。而是此PSK聲音信號122具有相當靜止之寬頻聲譜而為時間函數。在聲音信號122之情形中，此波形能量對於此發射之整個期間跨此聲譜展開，以致於在任何給定時間任一頻率其能量較：在任何給定時間任一頻率與此窄頻帶掃瞄波形有關之波形能量低許多。
此用於基因演算法相位編碼波形122之聲譜圖140、與自然殺人鯨聲音信號之聲譜圖30(第1B圖)、以及與HFM聲音信號之聲譜圖60(第2B圖)相當不同，雖然，此等波形具有類似頻寬與持續時間。
類似與以上與第3~3C圖一起說明偽隨機信號，對於人類觀察者而言，此根據第4C圖之聲譜圖142所產生之聲音信號、與由第1B圖聲譜圖30所代表而由殺人鯨所產生之聲音、或由第2B圖聲譜圖60所代表而由HFM聲納所產生之聲音實質上不同。一般而言，對於人類觀察者而言，此聲音信號聽起來像是簡短之噓聲，而此等與殺人鯨與傳統HFM波形有關波形聽起來像是鳥之啁啾。因此，海生哺乳動物將不會察覺此展開頻譜基因編碼聲音信號是由殺人鯨所產生。
可以使用此與基因演算法相位編碼波形122相同或類似波形之展開頻譜波形，以產生在主動式聲納系統中之聲音信號。此所產生之聲音信號可以具有與上述傳統HFM聲音信號相同或類似之特徵，其例如為相同持續時間(大約1秒)、中心頻率(大約3500Hz)、頻寬(大約1kHz)、以及來源位準(大約在1米220dB re 1 μ Pa)。
如同以上與第3C圖一起說明，各種因素可以顯示任何聲納系統之理論性能表現，此等與信號處理有關、而幫助判斷聲納系統之偵測處理部份性能表現之相關因素，其包括但並不受限於：所發射聲音信號之時間－頻寬乘積、聲音信號之自動相關之尖峰至側邊波瓣位準、中心頻率、頻寬、以及持續時間。
此具有與傳統HFM波形相同時間－頻寬乘積、而使用展開頻譜波形(藉由使用由基因演算法所產生之相位碼而製成)之主動式聲納系統，在理論上可以達成與使用傳統HFM波形相同系統類似之偵測、定位、追蹤之能力。然而，此基因編碼PSK展開頻譜聲音信號不應造成海生哺乳動物將其本身擱淺上岸。因此，此基因編碼PSK展開頻譜聲音信號為一種LPMMI信號。
現在參考第5圖，此聲納系統180包括：低海生哺乳動物衝擊(LPMMI)機率波形產生器182，其適合用於產生LPMMI波形184a與LPMMI波形184a之複製品184b。此LPMMI波形184a可以為具有展開頻譜之低攔截機率波形。此LPMMI波形184a可以為但並不受限於：M－序列偽隨機相位編碼信號；二進位狀態基因演算法相位編碼信號；藉由以具有兩個以上狀態相位碼而調變所產生之展開頻譜波形。此相位碼是由基因演算法所產生；藉由以使用Baker碼之相位碼而調變所產生之展開頻譜波形；藉由以使用Gold碼之相位碼而調變所產生之展開頻譜波形；以及藉由以使用Welti碼之相位碼而調變所產生之展開頻譜波形。
在一特殊實施例中，此LPMMI波形184a可以具有：大約3500Hz之載體(中心)頻率大約1000Hz之頻寬、以及大約1秒之持續時間，以便模擬在一些形式傳統聲納系統中所使用第2圖傳統HFM聲音信號42之一些特徵。然而，此LPMMI波形184a可以具有：在2500至6000Hz範圍中之載體(中心)頻率、在500至2500Hz範圍中之頻寬、以及在10msec至1.5sec範圍中之持續時間。
此聲納系統180包括：聲納發射器186，其適合用於接收LPMMI波形184a，且根據此LPMMI波形184a發射聲音信號194進入水中。聲納發射器186可以包括功率放大器188，其被耦接以接收LPMMI波形184a。此功率放大器188被耦接至：一或更多個適用於產生聲音信號194之發射元件192。在一些實施例中，此等發射元件192被配置成發射聲納陣列(未圖示)，且此聲音信號194形成聲音信號束。在一些配置中，設有與此等發射元件192之各一或組有關之各別功率放大器。
此聲納系統180亦包括：聲納接收器200，其適合用於：接收與此所發射聲音信號194有關之聲音信號198，以及根據所接收之聲音信號198，產生經調整信號208。此所接收之聲音信號198，可以由此來自目標196之所發射聲音信號194之反射回音所產生。
此聲納接收器200亦包括：一或更多個接收元件202，其適合用於接收聲音信號198。在一些實施例中，此等接收元件202被配置成接收聲納陣列(未圖示)，其可以與發射聲納陣列相同或可以與發射聲納陣列不同。此等接收元件202可被耦接以將代表聲音信號198之電子信號204提供至信號調整模組206，其適合提供各種功能，此等功能包括但並不受限於：放大、時間改變增益、載體解調變、帶通濾波、以及形成聲束；且適用於與其一起產生經調整信號208。
此聲納系統180亦包括：聲納處理器210，其適合用 於處理經調整信號208。此聲納處理器210亦包括相關處理器212，其被耦接以接收經調整波形208。此相關處理器212適合用於提供相關信號214，其可以耦接至偵測處理器216。此聲納處理器210亦包括定位處理器220，其被耦接至偵測處理器216與相關處理器212。此聲納處理器210亦包括分類處理器222，其被耦接至偵測處理器220與相關處理器212。在一些實施例中，可以省略此等一或更多個處理器216、220、222。
此相關處理器212適用於：將所接收波形208、與LPMMI波形184a之一或更多個版本184b相關。在一些實施例中，LPMMI波形184a之一或更多個版本184b可以代表：此根據聲納系統180與目標196間相對移動之複數個所期待具有Doppler效應之所接收聲音信號198。因此，此相關處理器212提供相關波形214。
此偵測處理器216適用於以下列方式，由相關波形214以偵測目標196：使用此為時間函數而由相關波形214所導出信號能量對(vs)雜訊能量之估計，以及使用此根據預先設定雜訊模型之臨界、與恆定錯誤警訊率(CFAR)標準。此裝置提供偵測信號218，其顯示目標196之偵測。定位處理器220適用於接收偵測信號218與相關波形214，以及因此提供定位信號224，其顯示所偵測目標196之範圍、及/或深度、及/或方位角、及/或俯角。此分類處理器222適合用於接收偵測信號218與相關波形214，以及因此提供顯示目標196型式之輸出信號226。
應瞭解，第6圖顯示流程圖對應於：此在以下所設想而在聲納系統180(第5圖)中所執行之技術。此等矩形元件(典型為第6圖中元件232)在此稱為“處理方塊”，而代表電腦軟體指令或指令組。
以替代方式，此等處理方塊代表由功能等同電路、例如數位信號處理器電路或特殊應用積體電路(ASIC)所實施之步驟。此流程圖並未說明任何特定程式語言之句法。而是，此流程圖說明：在此技術中具有一般知識人士所須功能資訊，以製造電路或產生電腦軟體，以實施特定裝置所須軟體。應注意許多常式程式元件，例如：回路與變數之初設與暫時變數之使用則並未顯示。對此技術有一般知識人士將瞭解，除非在此另外表示，此所說明之此等方塊之特定序列僅為說明而已，且可將其改變而不會偏離本發明之精神。因此，除非另外說明，以下所說明此等方塊並未定次序，其意義為，當可能時，可以任何方便或所想要之順序實施此等步驟。
現在參考第6圖，此使用於聲納系統中目標偵測之方法230在方塊232開始，在此處產生低海生哺乳動物衝擊機率(LPMMI)波形。此LPMMI波形可以為具有展開頻譜之低攔截機率波形。此LPMMI波形可以為但並不受限於：M-序列偽隨機相位編碼信號；二進位狀態基因演算法相位編碼信號；藉由以具有兩個以上狀態相位碼而調變所產生之展開頻譜波形。此基因演算法產生此相位碼；藉由以使用Baker碼之相位碼而調變所產生之展開頻譜波形；藉由以使用Gold碼之相位碼而調變所產生之展開頻譜波形；以及藉由以使用Welti碼之相位碼而調變所產生之展開頻譜波形。
在一特殊實施例中，此LPMMI波形可以具有：大約3500Hz之載體(中心)頻率、大約1000Hz之頻寬、以及大約1秒之持續時間，以便模擬在一些形式傳統聲納系統中所使用傳統FM聲音信號之一些特徵。然而，在一其他實施例中，此LPMMI波形可以具有：在2500至6000Hz範圍中之載體(中心)頻率、在500至2500Hz範圍中之頻寬、以及在10msec至1.5sec範圍中之持續時間。
在方塊234，可以根據在方塊232所產生LPMMI波形，將聲音信號發射進入水中。在方塊236，此所接收之聲音信號與在方塊234所發射之聲音有關。此所接收之聲音信號可以包括：此所發射聲音信號由目標之反射。
在方塊238，由在方塊236所產生之聲音信號而產生調整信號。在方塊238所實施之功能可以包括但並不受限於：信號放大、時間改變增益或自動增益控制、載體解調變、帶通濾波、類比至數位轉換、以及形成束。在一些實施例中，此在方塊238之形成束可以導致複數個形成束之頻道。
在方塊240，此在方塊238所接收之調整聲音信號(其可以包括例如：多於一個成束信號)、與在方塊232所產生LPMMI波形之一或更多版本相關，以提供相關波形。
在方塊242，處理此相關波形以偵測目標。在方塊244，可以將此所偵測目標定位。在方塊246，可以將此所偵測目標分類。在此等其他實施例中，可以將此等方塊242、244、以及246之任一省略。
在以上說明此等LPMMI聲音信號之數個例子，其可以使用於聲納系統中，作為傳統FM(線性與雙曲線)聲音信號之替代。各此等LPMMI聲音信號所具有特徵導致：所感受之聲音與由殺人鯨所產生之自然聲音相當不同，以及與人為製造之FM聲音信號相當不同。此在將此等LPMMI聲音信號之聲譜圖100、140(各為第3C圖、第4C圖)、與殺人鯨聲譜圖30(第1B圖)、以及傳統HFM聲音信號之聲譜圖60(第2B圖)相比較時，其差異為明顯。
以上所說明LPMMI聲音信號為：具有在預先確定頻寬上雜訊似簽字之LPI展開頻譜聲音信號，而不同於FM聲音信號之取決時間窄頻帶聲調特徵。此等展開頻譜LPMMI聲音信號之時間頻率特徵中重大差異建議：此等LPMMI聲音信號並不會造成：海生哺乳動物在此等LPMMI聲音信號存在中，以負面方式反應。
如同以上說明，此兩個展開頻譜LPMMI聲音信號之預測性能表現可以藉由：分析此等波形經歷自動相關函數與模糊函數之所提供輸出而評估。可以預期的是：由於其均享有相同之時間－頻寬乘積，各此等波形關於所期望之理論相關器增益(在不相關雜訊之存在中)，會具有類似之性能表現。各此等上述LPMMI波形具有類似中心頻率、持續時間、以及頻寬。此等各種性能表現參數包括但並不受限於：理論距離解析度、理論相關器增益、理論Doppler解析度、Doppler容忍限度，且此在距離與Doppler解析度中之側波瓣干擾位準均為彼此相關，以致於將用於一參數之波形最適化，對於此等其他參數會有影響(通常此等關係為為逆相關)。此在LPMMI波形之例與傳統HFM波形之例間建立有意義比較之唯一方式為：將用於被評估所有此等波形之一個性能表現參數之位準固定，而讓所有其他參數改變。在表1中總結：有關用於固定側波瓣干擾位準之理論相關寬度(即，距離解析度)之HFM波形對(vs)兩個LPMMI波形之預測性能表現。
雖然以上說明此等特定LPMMI聲音信號，其他LPMMI聲音信號亦可以根據本發明而產生。此等可以本發明而產生之其他聲音信號包括但並不受限於：藉由以具有兩個以上狀態相位碼而調變以產生之擴展頻譜波形。此相位碼是由基因演算法產生；藉由以使用Baker碼之相位碼而調變以產生之擴展頻譜波形；藉由以使用Gold碼之相位碼而調變以產生之擴展頻譜波形；以及藉由以使用Welti碼之相位碼而調變以產生之擴展頻譜波形。
通常，選擇一LPMMI波形之調變分量，以減少來自海生哺乳動物之行為響應，此行為響應是當根據另一波形而發射另一聲音信號時產生。此另一聲音信號具有與此LPMMI波形大致相同的持續時間分量、大致相同的頻寬分量、以及大致相同的中心頻率分量，但具有包括頻率調變之調變分量。
在此所說明各種波形間所作上述性能表現之比較是依據：將各種人為製造波形經由自動相關函數與模糊函數處理而得。由此等函數可以導出五個參數：1)由在零Dopler之匹配濾波器處理所產生之波形壓縮、所提供之理論距離解析度(此與波形相關寬度同義)；2)由相關波形頻率內容所提供之理論Doppler解析度(此與計算用於此波形之自動相關函數輸出之功率譜同義)；3)藉由評估由於將此波形在無雜訊情況下、經由自動相關函數處理之輸出所導出之：時間/距離領域中之理論側波瓣干擾位準；4)藉由評估由於將此波形在無雜訊情況下、經由模糊函數處理之輸出所導出之：Doppler領域中之理論側波瓣干擾位準；以及5)關於由當此輸入波形受到不同程度Doppler導致失真之匹配濾波器所期望增益之、所期望退化之顯示。此由模糊函數所導出。
在此所引述之所有理論與參考資料，其整個併入於此作為參考。
以上已經描述了本發明之較佳實施例，對於此技術有一般知識人士瞭解，可以使用包括其觀念之其他實施例。因此，可以理解，此等實施例不應受限於所揭示之實施例，而只應受限於所附申請專利範圍之精神與範圍。
180‧‧‧聲納系統
182‧‧‧LPMMI波形產生器
184a‧‧‧LPMMI波形
184b‧‧‧複製之LPMMI波形
188‧‧‧功率放大器
192‧‧‧發射元件
194‧‧‧聲音信號
196‧‧‧目標
198‧‧‧聲音信號
200‧‧‧聲納接收器
202‧‧‧接收元件
204‧‧‧電子信號
206‧‧‧信號調整模組
208‧‧‧經調整信號
210‧‧‧聲納處理器
212‧‧‧相關處理器
214‧‧‧相關信號
216‧‧‧偵測處理器
218‧‧‧偵測信號
220‧‧‧定位處理器
222‧‧‧分類處理器
224‧‧‧定位信號
226‧‧‧輸出信號
第1圖顯示由一殺人鯨所產生聲音信號之時間波形之例；第1A圖顯示由一殺人鯨所產生在第1圖之聲音信號期間上所計算之功率譜；第1B圖顯示由一殺人鯨所產生在第1圖之聲音信號期間上所計算之聲譜圖；第2圖顯示繪製作為時間函數之典範雙曲線頻率調變(HFM)波形，其只不過是由傳統聲納系統所可產生波形之一例；第2A圖顯示在此第2圖之雙曲線頻率調變(HFM)波形之整個期間所計算之功率譜；第2B圖顯示在此第2圖之雙曲線頻率調變(HFM)波形之整個期間所計算之聲譜圖；第3圖為一偽隨機二進位狀態碼之一部份；第3A圖顯示此具有根據第3圖之偽隨機碼之單一頻率相位移鍵入(PSK)調變之時間波形；第3B圖顯示在第3A圖之PSK調變時間波形期間所計算之功率譜；第3C圖顯示在第3A圖之PSK調變時間波形期間所計算之聲譜圖；第4圖顯示由基因演算法所產生之偽隨機二進位狀態碼之一部份；第4A圖顯示具有根據第4圖之基因演算法碼之相位移鍵入(PSK)調變之單一頻率時間波形，以形成基因演算法相位編碼信號；第4B圖顯示在第4A圖之PSK調變時間波形期間所計算之功率譜；第4C圖顯示在第4A圖之PSK調變時間波形期間所算出之聲譜圖；第5圖為具有低海生哺乳動物衝擊(LPMMI)機率波形產生器之聲納系統之方塊圖；以及第6圖為在聲納系統中使用LPMMI波形之方法之流程圖。
180‧‧‧聲納系統
182‧‧‧LPMMI波形產生器
184a‧‧‧LPMMI波形
184b‧‧‧複製之LPMMI波形
186‧‧‧聲納發射器
188‧‧‧功率放大器
192‧‧‧發射元件
194‧‧‧聲音信號
196‧‧‧目標
198‧‧‧聲音信號
200‧‧‧聲納接收器
202‧‧‧接收元件
204‧‧‧電子信號
206‧‧‧信號調整模組
208‧‧‧經調整信號
210‧‧‧聲納處理器
212‧‧‧相關處理器
214‧‧‧相關信號
216‧‧‧偵測處理器
218‧‧‧偵測信號
220‧‧‧定位處理器
222‧‧‧分類處理器
222‧‧‧分類處理器
224‧‧‧定位信號
226‧‧‧輸出信號

Claims (30)

  1. 一種聲納系統，包括：一低海生哺乳動物衝擊機率波形產生器，其適用於產生一低海生哺乳動物衝擊機率(LPMMI)波形，該波形具有調變分量；以及一聲納發射器，耦接至該波形產生器，且被組態用於根據該LPMMI波形，將LPMMI聲音信號發射進入水中，其中該LPMMI波形包含具有展開頻譜之低攔截機率(LPI)波形，且其中該LPMMI波形具有範圍為2500至6000 Hertz的中心頻率分量、範圍為500至2500 Hertz的頻寬分量、以及範圍為10毫秒至1.5秒的持續時間分量，其中相較於當根據具有與該LPMMI波形大致相同的持續時間分量、大致相同的頻寬分量、大致相同的中心頻率分量，但具有包括頻率調變之調變分量的另一波形而發射另一聲音信號時可能發生的行為響應及相關的海生哺乳動物感知，藉由使相關的LPMMI聲音信號聽起來不像由海生哺乳動物所感受到之殺人鯨的聲音而選擇該LPMMI波形之調變分量，以減少來自海生哺乳動物之行為響應。
  2. 如申請專利範圍第1項之聲納系統，其中該LPMMI波形包含：M-序列偽隨機相位編碼信號、Baker碼相位編碼信號、Welti碼相位編碼信號、Gold碼相位編碼信號、或基因演算法相位編碼信號之至少一者。
  3. 如申請專利範圍第1項之聲納系統，其中該LPMMI波形具有：大約3500 Hertz之中心頻率分量、大約1000 Hertz之頻寬分量、以及大約一秒之持續時間分量。
  4. 如申請專利範圍第1項之聲納系統，其中該LPMMI波形包含：M-序列偽隨機相位編碼信號。
  5. 如申請專利範圍第4項之聲納系統，其中該LPMMI波形具有：大約3500 Hertz之中心頻率分量、大約1000 Hertz之頻寬分量、以及大約一秒之持續時間分量。
  6. 如申請專利範圍第4項之聲納系統，其中該LPMMI波形具有：位於2500至6000 Hertz的中間頻率範圍之中心頻率分量、範圍為500至2500 Hertz的頻寬分量、以及範圍為10毫秒至1.5秒的持續時間分量。
  7. 如申請專利範圍第1項之聲納系統，其中該LPMMI波形包含：基因演算法相位編碼信號。
  8. 如申請專利範圍第7項之聲納系統，其中該LPMMI波形具有：大約3500 Hertz之中心頻率分量、大約1000 Hertz之頻寬分量、以及大約一秒之持續時間分量。
  9. 如申請專利範圍第7項之聲納系統，其中該LPMMI波形具有：位於2500至6000 Hertz的中間頻率範圍之中心頻率分量、範圍為500至2500 Hertz的頻寬分量、以及範圍為10毫秒至1.5秒的持續時間分量。
  10. 如申請專利範圍第7項之聲納系統，其中選擇該基因演算法，以改善所接收到的聲音信號之相關性。
  11. 如申請專利範圍第7項之聲納系統，其中選擇該基因演算法，以改善由該聲納系統所提供之偵測準確度、定位準確度、追蹤準確度、或分類準確度。
  12. 如申請專利範圍第7項之聲納系統，其中選擇該基因演算法，以增加該聲納系統之偵測機率，或降低該聲納系統之錯誤警告率。
  13. 如申請專利範圍第7項之聲納系統，其中選擇該基因演算法，以降低由該聲納系統所發射之聲音功率。
  14. 如申請專利範圍第1項之聲納系統，更包括：一聲納接收器，其適合用於接收與所發射之聲音信號有關的一聲音信號，以及根據所接收到的該聲音信號產生一經調整信號；一相關性處理器，其適合用於使該經調整信號與該LPMMI波形之版本相關，且因此產生一相關信號；以及以下至少一者：一偵測處理器，其適合用於偵測一目標且響應該相關信號而提供一偵測信號；一定位處理器，其適合用於響應該偵測而將該目標定位；或一分類處理器，其適合用於響應該偵測而將該目標分類。
  15. 如申請專利範圍第1項之聲納系統，其中該低海生哺乳動物衝擊機率波形產生器更適合用於產 生另一低海生哺乳動物衝擊機率(LPMMI)波形，該波形具有以下至少一者：不同調變分量、不同持續時間分量、不同頻寬分量、或不同中心頻率分量，以及其中，該聲納發射器更適合用於根據該另一低海生哺乳動物衝擊機率波形，將另一聲音信號發射進入水中。
  16. 一種使用於聲納系統中的偵測目標之方法，該方法包括：產生一低海生哺乳動物衝擊機率(LPMMI)波形，該波形具有調變分量；以及根據該LPMMI波形，將LPMMI聲音信號發射進入水中，其中該LPMMI波形包含具有展開頻譜之低攔截機率(LPI)波形，且其中該LPMMI波形具有範圍為2500至6000 Hertz的中心頻率分量、範圍為500至2500 Hertz的頻寬分量、以及範圍為10毫秒至1.5秒的持續時間分量，其中相較於當根據具有與該LPMMI波形大致相同的持續時間分量、大致相同的頻寬分量、大致相同的中心頻率分量，但具有包括頻率調變之調變分量的另一波形而發射另一聲音信號時可能發生的行為響應及相關的海生哺乳動物感知，藉由使相關的LPMMI聲音信號聽起來不像由海生哺乳動物所感受到之殺人鯨的聲音而選擇該LPMMI波形之調變分量，以減少來自海生哺乳動物之行為響應。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該LPMMI波形包含：M-序列偽隨機相位編碼信號、Baker碼相位編碼信號、Welti碼相位編碼信號、Gold碼 相位編碼信號、或基因演算法相位編碼信號之至少一者。
  18. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該LPMMI波形具有：大約3500 Hertz之中心頻率分量、大約1000 Hertz之頻寬分量、以及大約一秒之持續時間分量。
  19. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該LPMMI波形包含：M-序列偽隨機相位編碼信號。
  20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該LPMMI波形具有：大約3500 Hertz之中心頻率分量、大約1000 Hertz之頻寬分量、以及大約一秒之持續時間分量。
  21. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該LPMMI波形具有：範圍為2500至6000 Hertz的中心頻率分量、範圍為500至2500 Hertz的頻寬分量、以及範圍為10毫秒至1.5秒的持續時間分量。
  22. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該LPMMI波形包含：基因演算法相位編碼信號。
  23. 如申請專利範圍第22項之方法，其中該LPMMI波形具有：大約3500 Hertz之中心頻率分量、大約1000 Hertz之頻寬分量、以及大約一秒之持續時間分量。
  24. 如申請專利範圍第22項之方法，其中該LPMMI波形具有：範圍為2500至6000 Hertz的中心頻率分量、範圍為500至2500 Hertz的頻寬分量、以及 範圍為10毫秒至1.5秒的持續時間分量。
  25. 如申請專利範圍第22項之方法，其中選擇該基因演算法，以將所接收到的聲音信號之相關性最佳化。
  26. 如申請專利範圍第22項之方法，其中選擇該基因演算法，以改善由此聲納系統所提供之偵測準確度、定位準確度、追蹤準確度、或分類準確度。
  27. 如申請專利範圍第22項之方法，其中選擇該基因演算法，以增加該聲納系統之偵測機率，或降低該聲納系統之錯誤警告率。
  28. 如申請專利範圍第22項之方法，其中選擇該基因演算法，以降低由該聲納系統所發射之聲音功率。
  29. 如申請專利範圍第16項之方法，更包括：接收與所發射之聲音信號有關的一聲音信號；根據所接收到的聲音信號產生一接收到的波形；使該所接收到的波形與該LPMMI波形之版本相關，以提供一相關信號；以及以下至少一者：偵測一目標且響應該相關信號而提供一偵測信號；響應該偵測信號而將該目標定位；或響應該偵測信號而將該目標分類。
  30. 如申請專利範圍第16項之方法，更包括：產生該另一低海生哺乳動物衝擊機率(LPMMI)波形，該波形具有以下至少一者：不同調變分量、不同持續時 間分量、不同頻寬分量、或不同中心頻率分量；以及根據該另一低海生哺乳動物衝擊機率波形，將該另一聲音信號發射進入水中。
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