本申請(qǐng)為要求2013年8月29日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)No.14/014,035權(quán)益的部分繼續(xù)申請(qǐng)。

關(guān)于基于聯(lián)邦資助研發(fā)的發(fā)明的權(quán)利聲明

本發(fā)明根據(jù)美國(guó)能源部頒發(fā)的DEAC05-76RLO1830協(xié)議下的政府支持開發(fā)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明大體涉及聲學(xué)跟蹤裝置與系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及可附的傳聲裝置，其能夠?qū)崟r(shí)地或作為時(shí)間函數(shù)地檢測(cè)并遠(yuǎn)程跟蹤包括最多三個(gè)維度內(nèi)的無生命體與生命體的各種宿主。

背景技術(shù)：

聲學(xué)遙測(cè)涉及被稱為聲學(xué)標(biāo)簽的聲學(xué)裝置，其通常用于監(jiān)測(cè)魚群的行為。聲學(xué)標(biāo)簽發(fā)射聲音信號(hào)或者稱聲學(xué)“Ping信號(hào)”，將被標(biāo)記的魚群的識(shí)別信息與位置信息發(fā)送至接收機(jī)。接收機(jī)將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。后處理軟件處理該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并且當(dāng)接收機(jī)檢測(cè)到相同聲音信號(hào)時(shí)提供標(biāo)簽的位置。通過確定聲音到達(dá)水聽器接收機(jī)的時(shí)間，可以確定標(biāo)簽的位置，能夠跟蹤宿主動(dòng)物。此時(shí)，通過將從發(fā)射機(jī)接收到的聲音標(biāo)識(shí)與已編信號(hào)碼相聯(lián)系，可識(shí)別特定的動(dòng)物。聲學(xué)遙測(cè)已應(yīng)用于觀察存活的幼年奇努克鮭魚的習(xí)性與數(shù)量，并了解對(duì)一歲及小于一歲的奇努克鮭魚植入聲學(xué)標(biāo)簽的生物影響。同時(shí)，也研究了部署在水壩以及河流其他位置的自治有線接收系統(tǒng)。接收系統(tǒng)檢測(cè)聲學(xué)標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào)，處理如此檢測(cè)到的數(shù)據(jù)以跟蹤魚群，并且提供必要數(shù)據(jù)以評(píng)估通過水壩及其他通道的存活者。同時(shí)，哥倫比亞河流系統(tǒng)中的聲學(xué)標(biāo)簽及接收系統(tǒng)構(gòu)成幼年鮭魚聲學(xué)遙測(cè)系統(tǒng)(JSATS)。雖然當(dāng)前用于JSATS的聲學(xué)標(biāo)簽滿足大多數(shù)一歲奇努克鮭魚的標(biāo)簽負(fù)擔(dān)指南，但是對(duì)于更小的幼年奇努克鮭魚，尤其是那些在哥倫比亞河流下游以及進(jìn)入邦納維爾壩河下游的河口發(fā)現(xiàn)的幼年奇努克鮭魚而言，標(biāo)簽太大了。生物效應(yīng)研究也表明植入現(xiàn)有聲學(xué)標(biāo)簽的長(zhǎng)度小于95mm(大概9g重)的幼年奇努克鮭魚的存活和成長(zhǎng)率已下降。因此，需要新標(biāo)簽設(shè)計(jì)降低整體的尺寸、重量與數(shù)量，提高范圍與壽命，降低植入的不良效果，并且擴(kuò)展?jié)撛趹?yīng)用范圍。本發(fā)明解決這些需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明包括用于實(shí)時(shí)或作為時(shí)間函數(shù)在最多三個(gè)維度內(nèi)識(shí)別及遠(yuǎn)程跟蹤各種宿主的新型傳聲裝置(聲學(xué)標(biāo)簽)，以及制造工藝。此處使用的“物理尺寸”指代聲學(xué)標(biāo)簽以及包含裝置組件的膠囊中電子組件的物理排列、構(gòu)造、以及容積。聲學(xué)標(biāo)簽可以在已編碼的聲學(xué)信號(hào)中發(fā)射位置、身份以及傳感信息，該已編碼的聲學(xué)信號(hào)從標(biāo)簽傳播至外部的接收機(jī)。此處使用的術(shù)語(yǔ)“宿主”指代無生命與有生命體二者。無生命宿主可以包括，但不限定于，例如自驅(qū)動(dòng)式物體(例如，機(jī)器人)、固定物體、可移動(dòng)物體、可運(yùn)輸物體、或者其他可通過各種方式(例如水流與潮汐)驅(qū)動(dòng)的無生命物體。有生命宿主可以包括，但不限于，例如，人類、動(dòng)物、水生生物包括，例如海洋與淡水動(dòng)物(例如鰻魚)、海洋與淡水魚類、以及其他動(dòng)物宿主。上述這些并非意在進(jìn)行限定。例如，各種水生生物包括魚類(例如，鮭魚)、深水魚類(例如，鱘魚)、以及其他海洋與淡水環(huán)境中的可跟蹤和/或識(shí)別的動(dòng)物(例如，鰻魚)。在一些應(yīng)用中，已標(biāo)記的宿主與外部接收機(jī)均可以設(shè)置在水生環(huán)境中，但于構(gòu)造并不意在被限定。本發(fā)明的聲學(xué)標(biāo)簽的應(yīng)用可以包括，但不限定于，例如存活研究；監(jiān)測(cè)遷移/通過/軌跡；在兩個(gè)維度(2D)或三個(gè)維度(3D)內(nèi)跟蹤宿主行為；測(cè)量水壩與其他通道處的旁路效果；觀察捕食性動(dòng)物/獵物的相互作用；幫助公用事業(yè)機(jī)構(gòu)、私人公司、以及州立與聯(lián)邦機(jī)構(gòu)符合漁業(yè)或者其他規(guī)定；以及其他應(yīng)用。上述這些應(yīng)用并非意在進(jìn)行限定。

聲學(xué)標(biāo)簽可以包括密閉殼或者結(jié)構(gòu)，其封裝聲學(xué)標(biāo)簽的組件。聲學(xué)標(biāo)簽可以包括用于與裝置的電氣組件耦合的剛性或者柔性印刷電路板。容納結(jié)構(gòu)可以由例如，熱固(性)聚合物例如環(huán)氧熱固性聚合物制成。容納結(jié)構(gòu)可以包括各種規(guī)定的形狀。

在一些實(shí)施例中，容納器可以包括大約115mm³或小于115mm³的內(nèi)部容積并且包括選取的用以在選定構(gòu)造中容納裝置組件的面積。

在一些實(shí)施方式中，容納結(jié)構(gòu)可以包括大約15.0mm或小于15.0mm的長(zhǎng)度以及大約3.4mm或小于3.4mm的直徑。

在一些應(yīng)用中，容納結(jié)構(gòu)可以為注射型容納結(jié)構(gòu)，具有能夠使標(biāo)簽注入宿主的直徑與形狀。在一些應(yīng)用中，內(nèi)部容積可以小于大約115mm³。

本發(fā)明的聲學(xué)標(biāo)簽可以以多種方式附于各種宿主。

在一些實(shí)施方式中，聲學(xué)標(biāo)簽可以為注射型聲學(xué)標(biāo)簽?？梢宰⑸渥⑸湫吐晫W(xué)標(biāo)簽以將標(biāo)簽附在宿主動(dòng)物上并提供對(duì)宿主的識(shí)別與跟蹤。容納器(容器)可以具有能夠用注射器針頭將聲學(xué)標(biāo)簽注入宿主的尺寸與構(gòu)造。不限定注射的位置。對(duì)于魚類，例如，聲學(xué)標(biāo)簽可以注入魚類的體內(nèi)，例如沿腹白線或其他位置。當(dāng)注入宿主時(shí)，注射型聲學(xué)標(biāo)簽減少被跟蹤動(dòng)物的生物反應(yīng)，可提高動(dòng)物的存活率。

本發(fā)明的聲學(xué)標(biāo)簽具有縮小的尺寸、重量與數(shù)量，提供優(yōu)于傳統(tǒng)JSATS標(biāo)簽的強(qiáng)輸出與壽命。小尺寸、重量與數(shù)量的標(biāo)簽令小得多的宿主包括那些尺寸比傳統(tǒng)JSATS標(biāo)簽小得多的宿主得以被研究。本發(fā)明的標(biāo)簽因此擴(kuò)展了應(yīng)用的范圍。此外，本發(fā)明聲學(xué)標(biāo)簽的制造與附著更為便宜。在各種應(yīng)用中，標(biāo)簽?zāi)軌蛱峁┯兄趧?dòng)物友好系統(tǒng)例如水系統(tǒng)發(fā)展的數(shù)據(jù)與信息。

在一些實(shí)施方式中，聲學(xué)標(biāo)簽可以具有大約220mg或更少的干重。

聲學(xué)標(biāo)簽還可以包括為裝置運(yùn)行供電的電源。電源可以為單個(gè)定制電池，提供自約18.V至約3.0V的電壓。在一些實(shí)施方式中，電源可以供應(yīng)最低約2.5伏特的輸出電壓。在一些實(shí)施方式中，電源可以是鋰/碳氟化物電池。電源可以包括多個(gè)層合板材料。每個(gè)層合板材料可以包括置于聚合物分隔裝置之間的陽(yáng)極與陰極。聚合物將測(cè)壓材料中的陰極與陽(yáng)極電氣隔離。在一些實(shí)施方式中，分隔裝置可以包括微孔聚丙烯。陰極可以包括，例如以選定厚度貼于集電器上的粘合劑中的碳氟化物以及導(dǎo)電碳，或者由其構(gòu)成。粘合劑可以包括，例如聚四氟乙烯(PTFE)。在一些實(shí)施方式中，陰極可以包括85wt％碳氟化物、10wt％碳、以及5wt％聚四氟乙烯(PTFE)粘合劑。集電器可以包括金屬網(wǎng)，由例如鋁、含鋁合金、或者其他金屬及金屬合金組成。陽(yáng)極可以包括各種電極材料包括，例如鋰金屬(Li)、硅(Si)、錫(Sn)、鍺(Ge)、含碳材料，例如，石墨、中位碳、微珠(MCMB)石墨粉、石墨烯、金屬含氧化物材料包括，例如包括氧化鈦(TiO₂)、氧化錫(Sn O₂)、氧化硅(Si O_x)、以及氧化鍺(GeO)這些各種材料的混合物。陰極/陽(yáng)極層合板材料可以封閉在電池殼或者容器中，其由具有選定厚度的高機(jī)械強(qiáng)度化學(xué)抗性聚合物構(gòu)成。電池還可以填充電解液。電解液可以包括分散在碳酸次乙酯(EC)與碳酸二甲脂的選定體積比率中的選定濃度的六氟磷酸鋰(LiPF₆)，使得運(yùn)行時(shí)的電源電壓下降最小。在一些實(shí)施方式中，電源可以具有大約75mg或者更小的質(zhì)量。電源還可以具有至少大約230Wh/kg的能量密度。

聲學(xué)標(biāo)簽可以包括紅外(IR)傳感器，其與控制器耦合并且向位于傳聲標(biāo)簽外部的主計(jì)算機(jī)提供光鏈路。紅外傳感器可以從主計(jì)算機(jī)接收編碼配置信息，主計(jì)算機(jī)配置用于標(biāo)簽運(yùn)行(例如，開始傳輸、設(shè)置傳輸頻率、以及選取額外操作)的控制器。

聲學(xué)標(biāo)簽包括諧振器、晶體振蕩器、或者其他類型的用于向微控制器提供外部時(shí)鐘信號(hào)的振蕩器組件。在一些應(yīng)用中，標(biāo)簽可以使用精確度大約0.5％諧振頻率大約10MHz的陶瓷諧振器。

聲學(xué)標(biāo)簽可以包括控制器，其與電源耦合并且控制聲學(xué)標(biāo)簽中的各種電路及功能。在一些實(shí)施方式中，控制器可以為微控制器，其包含處理器核、存儲(chǔ)器、內(nèi)振蕩器、時(shí)鐘、以及可編程輸入輸出外設(shè)，執(zhí)行定義標(biāo)簽操作的嵌入式固件(源代碼)。微控制器可以使用外部時(shí)鐘信號(hào)控制標(biāo)簽電路并且生成聲學(xué)信號(hào)。微控制器還可以使用外部時(shí)鐘信號(hào)校準(zhǔn)內(nèi)振蕩器與時(shí)鐘?？刂破骺梢耘渲糜靡宰詣?dòng)對(duì)取自電源的作為電源放電的能源進(jìn)行調(diào)節(jié)，如此在聲學(xué)標(biāo)簽運(yùn)行壽命期間聲源電平保持基本上恒定?？刂破鬟€可以供應(yīng)一個(gè)或者更多個(gè)標(biāo)簽代碼。

可對(duì)聲學(xué)標(biāo)簽程序化，以經(jīng)自計(jì)算機(jī)至標(biāo)簽的光鏈路運(yùn)行?？蓪?duì)聲學(xué)標(biāo)簽程序化以發(fā)射一個(gè)或者更多個(gè)已編碼的識(shí)別碼。每個(gè)標(biāo)簽碼可以包括長(zhǎng)達(dá)64二進(jìn)制位的碼?？刂破骺梢詤f(xié)調(diào)每個(gè)標(biāo)簽ID的時(shí)鐘與傳輸，使例如第一個(gè)標(biāo)簽ID與第二個(gè)標(biāo)簽ID交替?zhèn)鬏?。在一些?yīng)用中，可能僅需要單個(gè)標(biāo)簽碼ID。標(biāo)簽碼的格式是可選的。在一些應(yīng)用中，標(biāo)簽ID中的一個(gè)可以配置為用以自納入聲學(xué)標(biāo)簽中的各種傳感器發(fā)射數(shù)據(jù)。編碼可以包括配置注射型聲學(xué)傳輸裝置發(fā)射的數(shù)據(jù)中每比特所需的周期數(shù)量。編碼可以包括將注射型聲學(xué)傳輸裝置程序化，以將一個(gè)或者更多個(gè)識(shí)別碼在聲學(xué)信號(hào)中從注射型聲學(xué)傳輸裝置發(fā)射。

聲學(xué)傳輸信號(hào)可編碼具有一個(gè)或者更多個(gè)標(biāo)簽碼以及各自的識(shí)別碼。每個(gè)標(biāo)簽碼可以具有可選碼長(zhǎng)。識(shí)別碼可以具有可選位長(zhǎng)。

本發(fā)明的聲學(xué)標(biāo)簽結(jié)合了高級(jí)特征，包括發(fā)射編碼具有一個(gè)或者更多個(gè)標(biāo)簽碼的聲學(xué)信號(hào)的能力。聲學(xué)標(biāo)簽還可以存儲(chǔ)不同的標(biāo)簽碼。聲學(xué)標(biāo)簽還可以包括一個(gè)或者更多個(gè)傳感器(例如，來自溫度傳感器的問題)，收集外部或內(nèi)部環(huán)境的數(shù)據(jù)，可編入一個(gè)或者更多個(gè)標(biāo)簽碼中。一個(gè)或者更多個(gè)標(biāo)簽碼的傳輸增加了唯一標(biāo)簽標(biāo)識(shí)(ID)的數(shù)量，當(dāng)與現(xiàn)有接收機(jī)設(shè)備保持完全向后兼容時(shí)，可在聲學(xué)信號(hào)中發(fā)射唯一標(biāo)簽標(biāo)識(shí)。聲學(xué)標(biāo)簽還可以交替?zhèn)鬏攦蓚€(gè)標(biāo)簽碼。每個(gè)標(biāo)簽碼是完全可配置的，包括例如選擇碼長(zhǎng)(即，比特長(zhǎng)度)以及最大應(yīng)用靈活性下每比特聲學(xué)脈沖的數(shù)量。在一些應(yīng)用中，碼長(zhǎng)可達(dá)64比特。在一些應(yīng)用中，可對(duì)聲學(xué)傳輸應(yīng)用較短的標(biāo)簽碼，例如臨近水面以減少不良多徑效應(yīng)。在一些實(shí)施方式中，標(biāo)簽碼可以是相同的或者包括相同的碼長(zhǎng)。每個(gè)標(biāo)簽碼一般地，但是并非專門地，可以以規(guī)律化的時(shí)間間隔傳輸。但是，傳輸并非限制與此。聲學(xué)信號(hào)可以包含編碼具有相移鍵控(PSK)的二進(jìn)制或衍生數(shù)據(jù)。二進(jìn)制數(shù)據(jù)可以包含頭位(例如“巴克”碼)、標(biāo)簽ID、從一個(gè)或者更多個(gè)傳感器收集的數(shù)據(jù)、誤差校驗(yàn)位(例如，循環(huán)冗余校驗(yàn))，包括上述任一或者全部的各種組合。單個(gè)聲學(xué)信號(hào)中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)可以包括一個(gè)標(biāo)簽碼。

在一些實(shí)施方式中，聲學(xué)標(biāo)簽可以包括與壓電換能器相鄰設(shè)置的聲學(xué)反射器，例如，設(shè)置在壓電換能器后面。聲學(xué)反射器可以反射聲波以增強(qiáng)自壓電換能器發(fā)射的聲學(xué)信號(hào)。例如，反射器可以通過反射壓電換能器背部發(fā)出的聲波獲得所需的波束圖形，否則其將向電子元件、電池、或者聲學(xué)標(biāo)簽的其他元件傳播，或者干擾它們?？梢詫⒙晫W(xué)反射器安置為與每單個(gè)壓電換能器直接接觸。在一些實(shí)施方式中，聲學(xué)放射器可以由滲透性材料塑造而成，像閉孔發(fā)泡材料由譬如空氣的氣體填充。

聲波標(biāo)簽中的傳感器可以包括：加速度計(jì)、轉(zhuǎn)速傳感器、磁力計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器、其他傳感器、以及這些各式傳感器的組合。聲學(xué)標(biāo)簽可以將傳感數(shù)據(jù)嵌入標(biāo)簽碼中的至少一個(gè)并且基于嵌入的傳感數(shù)據(jù)或者數(shù)值將誤差校驗(yàn)位添加至標(biāo)簽碼。作為示例，從聲學(xué)標(biāo)簽中的溫度傳感器收集的溫度數(shù)據(jù)可以作為標(biāo)簽碼的一部分發(fā)射。

壓電換能器可以配置用于以選定的傳輸速度以選定的強(qiáng)度向位于聲學(xué)傳輸裝置外部的接收機(jī)發(fā)射聲學(xué)信號(hào)。

聲學(xué)標(biāo)簽可以包括壓電換能器驅(qū)動(dòng)電路，其將選定的驅(qū)動(dòng)電壓傳送至至少一個(gè)壓電換能器，生成聲波傳輸信號(hào)。在一些實(shí)施方式中，聲波標(biāo)簽可以包括壓電轉(zhuǎn)換電路，其包括升壓轉(zhuǎn)換器電路將從電源傳送至至少一個(gè)壓電換能器的電壓進(jìn)行升壓(向上轉(zhuǎn)換)。升壓轉(zhuǎn)換器電路可以與微控制器及電源耦合。升壓轉(zhuǎn)換器電路將電源(電池)電壓升壓(向上轉(zhuǎn)換)直至大約3伏特形成驅(qū)動(dòng)電壓。升壓轉(zhuǎn)換器電路還令驅(qū)動(dòng)電壓可調(diào)節(jié)以改變壓電換能器傳送的聲學(xué)信號(hào)的強(qiáng)度，例如在大約150dB至大約158dB之間調(diào)節(jié)標(biāo)簽壽命。對(duì)于每次傳輸升壓轉(zhuǎn)換器電路需要一些能量向上轉(zhuǎn)換電壓。信號(hào)強(qiáng)度為大約155dB時(shí)每次傳輸?shù)哪芰肯目蔀榇蠹s120μJ。壓電換能器驅(qū)動(dòng)電路中的驅(qū)動(dòng)電路可以與升壓轉(zhuǎn)換器電路耦合以自升壓轉(zhuǎn)換器電路傳送驅(qū)動(dòng)電壓，以驅(qū)動(dòng)一個(gè)或者更多個(gè)在運(yùn)行期間生成聲波信號(hào)的壓電換能器的振動(dòng)模式，然后聲波信號(hào)可自聲波裝置標(biāo)簽發(fā)射。升壓轉(zhuǎn)換器電路及驅(qū)動(dòng)電路可以與微控制器及電源耦合。在一些實(shí)施方式中，升壓轉(zhuǎn)換器電路可以包括一個(gè)小型(2.00mm×1.25mm×1mm)電感(L2)(例如型號(hào)BRL2012T101M 100μH電感，太陽(yáng)誘電株式會(huì)社，芝加哥，伊利諾伊州，美國(guó))、晶體管(Q2)(例如，F(xiàn)ET n-溝道MOSFET晶體管)以及二極管(D1)(例如，肖特基二極管)，它們共同生成高電壓(例如，6V)。電壓可以存儲(chǔ)在電容(C1)(例如，22μF的電容)中。另一個(gè)晶體管(Q3)(例如，F(xiàn)ET n-溝道MOSFET晶體管)由微控制器(U1)切換通斷以便壓電換能器與另一個(gè)電感(L1)在所需共振頻率，例如416.7KHz上振蕩。另一個(gè)電容(C2)(例如，1μF電容)可以是旁路鉭電容，其過濾電源(電池)上的電子噪聲并且減少取自電源的最大峰值電流。配置升壓電路的聲學(xué)標(biāo)簽的運(yùn)行壽命在3秒傳輸(發(fā)送)速度在155dB的平均聲學(xué)信號(hào)強(qiáng)度上可以至少約20天。

在一些實(shí)施方式中，聲學(xué)標(biāo)簽可以包括壓電換能器驅(qū)動(dòng)電路，其包括雙模擬開關(guān)和高效電感，配置用以將高于電源電壓最大約3伏特的驅(qū)動(dòng)電壓發(fā)送至至少一個(gè)壓電換能器。與此前描述的升壓轉(zhuǎn)換器電路相比，高效電路可以需要更少的元件。更少的元件減少了運(yùn)轉(zhuǎn)標(biāo)簽所需的能量，這又可為更小的宿主與應(yīng)用構(gòu)造更小的聲學(xué)標(biāo)簽。此外，高效電路可降低發(fā)射聲學(xué)信號(hào)所需的能量，這改善了標(biāo)簽的能量效率。在一些應(yīng)用中，標(biāo)簽壽命更長(zhǎng)能夠在更大的距離與有效期內(nèi)跟蹤被標(biāo)記的魚類和動(dòng)物的習(xí)性。聲學(xué)信號(hào)強(qiáng)度介于約155dB與約156dB之間的能量消耗可低于約35μJ。

在一些聲學(xué)標(biāo)簽中，壓電換能器驅(qū)動(dòng)電路可以包括雙模擬開關(guān)，其與選定尺寸(例如，2mm×2mm×0.6mm)的高效(例如，100μH)隔離電感器耦合，將電壓從電源(電池)提高約3伏特之多以形成驅(qū)動(dòng)電壓。雙模擬開關(guān)與隔離電感器可以與微控制器和電源耦合。在一些聲學(xué)標(biāo)簽中，電容(例如，33μF，6.3V電容)與電阻(例如，470ohm電阻)可以與電源耦合以減少來自電源的瞬間峰值電流。在當(dāng)前設(shè)計(jì)中，雙模擬開關(guān)可以由微控制器開啟關(guān)閉，以將高效電感的振蕩與壓電換能器的共振頻率同步，例如416.7kHz。當(dāng)前實(shí)施方式的能量轉(zhuǎn)換效率高于具有升壓轉(zhuǎn)換器電路的標(biāo)簽。高效電路將聲學(xué)標(biāo)簽的壽命提高長(zhǎng)達(dá)三倍之久。傳輸(發(fā)送)速度為三秒聲學(xué)信號(hào)強(qiáng)度約為155dB至約為156dB時(shí)，標(biāo)簽壽命可以至少約為90天。

聲學(xué)標(biāo)簽可以包括一個(gè)或者更多個(gè)壓電換能器。每個(gè)壓電換能器可以在選定的共振頻率上振動(dòng)，向接收機(jī)傳輸編碼的聲學(xué)信號(hào)。在一些實(shí)施方式中，壓電換能器可以具有球形殼或者管狀外形。壓電換能器可以是偏心壓電陶瓷管狀轉(zhuǎn)換器或者球形殼轉(zhuǎn)換器，其中轉(zhuǎn)換器的外圓周與內(nèi)圓周不是同心的內(nèi)圓周可以包括一個(gè)偏離外圓周圓心一定距離的圓心，選取該距離以至少在正向傳輸方向上增強(qiáng)聲學(xué)信號(hào)。偏移將所需傳輸方向上發(fā)出的聲學(xué)能量最大化。壓電換能器可以包括具有外圓周的外壁以及具有內(nèi)圓周的內(nèi)壁。壓電換能器的外壁與內(nèi)壁可以涂有電極，以使壓電換能器與電路板耦合。在一些實(shí)施方式中，壓電換能器可以包括所選金屬的端蓋，位于壓電換能器各端部，壓電換能器配置用于增強(qiáng)壓電換能器端部發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)。在一些實(shí)施方式中，可沿壁厚方向電極化(觸發(fā))壓電換能器以在選定共振頻率上產(chǎn)生選定振動(dòng)。例如，當(dāng)AC電壓激勵(lì)時(shí)，壓電換能器可以在放射方向上振動(dòng)，與呼吸運(yùn)動(dòng)相類似，即所謂的“呼吸”振動(dòng)模式。但振動(dòng)模式不限于此。還可以與“呼吸模式”單獨(dú)或組合使用使用長(zhǎng)度模式與厚度模式。在一些應(yīng)用中，振動(dòng)模式可選定為比驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率高約10kHz至50kHz。更高的共振頻率可以補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器周圍涂層造成的轉(zhuǎn)換器頻率的下頻移。

本發(fā)明聲學(xué)標(biāo)簽的另一個(gè)先進(jìn)特征為具有配置聲學(xué)信號(hào)強(qiáng)度(源電平)與聲學(xué)傳輸頻率的能力。此項(xiàng)特征能夠使電池壽命為選定應(yīng)用最優(yōu)化。聲學(xué)標(biāo)簽可以令聲學(xué)標(biāo)簽輸出的聲學(xué)信號(hào)的強(qiáng)度在標(biāo)簽壽命期間內(nèi)電池放電時(shí)維持在大致相同的水平，這有助于確保不同時(shí)間所選數(shù)據(jù)之間的連貫。在一些實(shí)施方式中，壓電換能器可以配置用于在至少約153dB的強(qiáng)度上發(fā)送聲學(xué)傳輸信號(hào)。

本發(fā)明聲學(xué)標(biāo)簽的另一個(gè)先進(jìn)特征為具有在開始聲學(xué)信號(hào)傳輸之前配置延遲時(shí)間的能力。此項(xiàng)特征能夠在宿主例如魚類遷移期之前標(biāo)記它們。在各應(yīng)用中，延遲期間可以高達(dá)30天甚至更多。此外，聲學(xué)標(biāo)簽還可以至于最小功率狀態(tài)(休眠模式)以便標(biāo)簽?zāi)軌蛟谑褂弥按娣乓荒晟踔粮谩?/p>

當(dāng)從聲學(xué)傳輸裝置接收聲學(xué)信號(hào)時(shí)，可以對(duì)聲學(xué)信號(hào)解碼以實(shí)時(shí)或?yàn)闀r(shí)間函數(shù)在三個(gè)維度內(nèi)識(shí)別并跟蹤宿主。

在一些應(yīng)用中，接收機(jī)可以是聲學(xué)水聽器。聲學(xué)標(biāo)簽的壓電換能器釋放出的聲學(xué)信號(hào)可以以一可程序化的信號(hào)強(qiáng)度發(fā)射，得到一可選擇檢測(cè)范圍。

本發(fā)明還包括實(shí)時(shí)地或者作為時(shí)間函數(shù)地識(shí)別并跟蹤選定宿主的方法。傳輸宿主識(shí)別與位置信息的方法可以包括在選定宿主的選定位置附上聲學(xué)標(biāo)簽。聲學(xué)標(biāo)簽可以從至少一個(gè)壓電換能器以選定的聲學(xué)強(qiáng)度與選定的頻率在一選定距離上向位于宿主外部的接收機(jī)發(fā)射聲學(xué)信號(hào)。聲學(xué)信號(hào)可以以一個(gè)或者更多個(gè)具有選定碼長(zhǎng)的標(biāo)簽碼編碼。聲學(xué)信號(hào)包含宿主的位置數(shù)據(jù)與識(shí)別數(shù)據(jù)和/或傳感器數(shù)據(jù)，聲學(xué)信號(hào)可以自聲學(xué)標(biāo)簽向宿主外部的接收機(jī)發(fā)射。該方法還可以包括將從聲學(xué)標(biāo)簽接收到的聲學(xué)信號(hào)解碼以實(shí)時(shí)或作為時(shí)間函數(shù)在三個(gè)維度識(shí)別并跟蹤宿主。

可為各種應(yīng)用及目的調(diào)整聲學(xué)標(biāo)簽特征。例如，在一些應(yīng)用中，可為位于湖泊、河流、支流、河口、以及海洋中的動(dòng)物實(shí)施標(biāo)簽研究。例如，可以對(duì)海洋與淡水環(huán)境中的動(dòng)物包括(例如，鮭魚)、深水魚類(例如，鱘)、以其他海洋與淡水動(dòng)物(例如，鰻魚)進(jìn)行標(biāo)識(shí)之后實(shí)時(shí)或者以時(shí)間為函數(shù)在最多三個(gè)維度(3D)(即，X-Y-Z坐標(biāo))上進(jìn)行跟蹤。本發(fā)明對(duì)聲學(xué)標(biāo)簽的應(yīng)用可以包括，但不限定于，例如，存活研究；監(jiān)測(cè)遷移/通過/軌跡；在兩個(gè)維度(2D)或三個(gè)維度(3D)內(nèi)跟蹤宿主行為；測(cè)量水壩與其他通道處的旁路效果；觀察捕食性動(dòng)物/獵物的相互作用；幫助公用事業(yè)機(jī)構(gòu)、私人公司、以及州立與聯(lián)邦機(jī)構(gòu)符合漁業(yè)或者其他規(guī)定；以及其他應(yīng)用。上述列出的應(yīng)用不應(yīng)該作為限定性的。

上述概述既無意對(duì)本發(fā)明申請(qǐng)進(jìn)行定義，其由權(quán)利要求進(jìn)行量度，也無意以任何方式對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定。

附圖說明

圖1A-1C示出本發(fā)明實(shí)施方式的不同視圖。

圖2A-2C示出本發(fā)明壓電換能器的不同視圖。

圖3A-3C示出本發(fā)明實(shí)施方式的各個(gè)模塊與電路圖。

圖3D-3F示出本發(fā)明另一實(shí)施方式的各個(gè)模塊與電路圖。

圖4為本發(fā)明電源的剖視圖。

圖5將本發(fā)明電源電阻與傳統(tǒng)電源相比較。

圖6A-6B將本發(fā)明電源發(fā)射機(jī)脈沖電流與傳統(tǒng)電源相比較。

圖7將脈沖傳輸期間本發(fā)明電源壓降與傳統(tǒng)電源相比較。

圖8將本發(fā)明偏移(非同心)壓電換能器的波束圖形與傳統(tǒng)(同心)壓電換能器相比較；

圖9對(duì)本發(fā)明的聲學(xué)標(biāo)簽的波束圖形進(jìn)行比較，作為壓電換能器間隙間距的函數(shù)。

圖10示出本發(fā)明聲波標(biāo)簽的封裝模。

具體實(shí)施例

包括注射型聲波標(biāo)簽的新型聲波傳輸裝置及制造工藝在此詳述。本發(fā)明的聲學(xué)標(biāo)簽實(shí)時(shí)或作為函數(shù)在最多三個(gè)維度(3D)(即，X-Y-Z坐標(biāo))提供各種宿主的識(shí)別與遠(yuǎn)程跟蹤。在下列描述中，通過對(duì)實(shí)施本發(fā)明的預(yù)先確定的最佳方式進(jìn)行說明，示出并描述了本發(fā)明的實(shí)施方式。顯而易見本發(fā)明適用于各種變形及結(jié)構(gòu)變化。應(yīng)該理解的是本文披露的具體形式并無意對(duì)本法民進(jìn)行限制，而，相反的，本發(fā)明意欲覆蓋所有落入如權(quán)利要求所定義的本發(fā)明范圍的變形、結(jié)構(gòu)變化以及等同物。因此此說明不應(yīng)被視為具有解釋性及限制性。

如圖1A示出選定設(shè)計(jì)的聲學(xué)傳輸裝置(標(biāo)簽)100的俯視圖，其示出示例性組件。本發(fā)明的聲學(xué)標(biāo)簽可以包括各種的能夠令標(biāo)簽附于選定宿主的尺寸與形狀或者為選定的應(yīng)用調(diào)整。在一些實(shí)施方式中，標(biāo)簽100可以具有一個(gè)大體上加長(zhǎng)或者圓柱形形狀，其令標(biāo)簽可注入宿主體內(nèi)。但是，形狀并非意在被限制。并且并不限定于將標(biāo)簽附著于可注射的宿主以及可注射的應(yīng)用。雖然在此描述了多種組件，但是組件與構(gòu)造為示例性的不限制與此。標(biāo)簽100的組件可以安裝在電路板2上，電路板2由適合的或者選定的電路板材料構(gòu)建而成。電路板2的材料可以包括，但不限定于，例如硬材料例如FR4板(～0.02cm厚)或者柔性材料例如撓性板(～0.01cm厚).在多種實(shí)施方式中，標(biāo)簽100的電路和/或裝置組件可以位于電路板2頂面與底面二者。電路板2可以包括具有約0.01cm(0.003英寸)示例性間隔寬度與銅線寬度的電路。但是間隔寬與線寬不限于此。

標(biāo)簽100可以包括控制器(U1)6，其控制標(biāo)簽的組件與電路的運(yùn)行。壓電換能器8可以位于標(biāo)簽的正向端，如此聲學(xué)信號(hào)可以從標(biāo)簽發(fā)射而不遭遇來自標(biāo)簽組件例如電感12或者標(biāo)簽其他組件的干擾。在圖中，示出壓電換能器8與電路板2電性耦合但不要求壓電換能器8設(shè)在電路板2上。電源10可以與電路板2耦合為標(biāo)簽組件供電。在一些實(shí)施方式中，電源10可以位于壓電換能器8的對(duì)端以令因電源10的物理尺寸造成的聲學(xué)信號(hào)潛在妨礙最小化。但是對(duì)位置不進(jìn)行限定。電容(C1)14(例如，22μF，10V電容)可以充當(dāng)電源的解耦電容以助于平滑任何電噪聲。第一MOSFET晶體管(Q2)16可以形成部分升壓轉(zhuǎn)換電路，本文對(duì)其將進(jìn)一步描述。第二MOSFET晶體管(Q3)18與電感(L1)12(例如，47μH電感)可以形成驅(qū)動(dòng)電路，本文對(duì)此其進(jìn)一步描述。光電晶體管(Q1)20對(duì)紅外輻射敏感，其可以向外部編程模塊(圖3B)提供光鏈路以接收配置微控制器6運(yùn)行的指令。標(biāo)簽100的組件可以封裝在涂層內(nèi)定義為膠囊4。膠囊4可以由熱固性聚合物例如環(huán)氧樹脂(例如，301環(huán)氧樹脂，環(huán)氧技術(shù)有限公司，貝爾里卡，馬塞諸塞州，美國(guó))或樹脂(例如電氣用樹脂5，3M公司，圣保羅，明尼蘇達(dá)州，美國(guó))。膠囊4可以包括約15mm的示例性長(zhǎng)度，但對(duì)長(zhǎng)度不進(jìn)行限定。在沿長(zhǎng)度最寬點(diǎn)處膠囊4的直徑可以約為3.4mm。最終干重可以為或者低于約228mg。

圖1B表明聲學(xué)傳輸標(biāo)簽100的仰視圖，示出電路板2底面上的示例性組件。電容(C2)22(例如，1μF及4V的電容)、電感(L2)26(例如100μH電感)、以及二極管(D1)30(例如，肖特基二極管)一同形成部分升壓轉(zhuǎn)換器電路，本文對(duì)其將進(jìn)一步描述。諧振器(Y1)24(例如，10MHz陶瓷諧振器)可以與微控制器(圖1A)耦合以產(chǎn)生控制微控制器運(yùn)行的時(shí)鐘信號(hào)。電阻(R1)28(例如，1M-歐姆電阻)可以與諧振器耦合以助于穩(wěn)定時(shí)鐘信號(hào)。電源10可以向壓電換能器8以及標(biāo)簽的其他組件的運(yùn)行供電。

圖1C示出具有“棒球棒”膠囊設(shè)計(jì)的聲學(xué)傳輸標(biāo)簽200。在當(dāng)前的實(shí)施方式中，標(biāo)簽的組件封裝在具有棒球棒外形的膠囊4中，膠囊4具有狹窄的前端(“球棒”的“手柄”)，以及電源10位于膠囊的后端(“球棒”的“打擊端”)，電源10將能源傳送至壓電換能器8以及標(biāo)簽的其他組件。標(biāo)簽前端處狹窄的直徑減少了用作注射型標(biāo)簽的聲學(xué)傳輸標(biāo)簽200的重量與體積。但是并不限定將這些標(biāo)簽附于宿主。在當(dāng)前的實(shí)施方式中，膠囊4可以具有約15mm的示例性長(zhǎng)度，但是無意對(duì)尺寸予以限定。在沿膠囊長(zhǎng)度最寬點(diǎn)(例如電源10所在位置)，標(biāo)簽200的直徑大約為3.4mm。當(dāng)EPO-TEK 301環(huán)氧樹脂或3M電氣用樹脂5用作涂層材料時(shí)，平均重量可以介于約216mg至約218mg之間。

圖2A示出偏移內(nèi)圓周(IC)設(shè)計(jì)的壓電管狀換能器8的俯視圖。壓電換能器8將電能從電源轉(zhuǎn)換為聲學(xué)(例如，超聲波)信號(hào)，發(fā)射至接收機(jī)(未示出)。壓電換能器8可以由任何適合的壓電陶瓷材料構(gòu)建而成，材料包括，例如，鋯鈦酸鉛(PZT)、鈮鎂酸鉛鈦酸鉛(PMN-PT)、或者無鉛陶瓷材料例如鈮酸鉀鈉(KNN)以及鈦酸鉍鈉(NBT)。IC-偏移壓電換能器8可以包括不同心的內(nèi)壁32與表(外)壁34。內(nèi)壁32的圓周可以偏移表壁34的中心位置。當(dāng)組裝到可注射標(biāo)簽中時(shí)，IC-偏移壓電換能器8可以朝向換能器壁的最薄部分面向標(biāo)簽的前面。偏移將從壓電換能器發(fā)送的能源在偏移方向上最大化。壓電換能器8的尺寸可以調(diào)整以提供選定的操作頻率。對(duì)頻率不進(jìn)行限定。在一些實(shí)施方式中，可以將共振頻率選取為大約416.7kHz。在當(dāng)前的實(shí)施方式中，IC-偏移壓電換能器8可以包括具有約2.4mm至約2.6mm O.D.的表(外)壁34、具有約1.7mm至約1.9mm I.D.的內(nèi)壁32、以及偏移方向上約±0.05mm的厚度。在一些實(shí)施方式中，壓電換能器8可以具有高于驅(qū)動(dòng)壓電換能器8的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率約10kHz至50kHz的共振頻率。壓電換能器上的環(huán)氧樹脂或者樹脂涂層可以造成對(duì)頻率下頻移更高的頻率補(bǔ)償。

圖2B為示出裝配形式中的聲學(xué)傳輸裝置100的圖表，聲學(xué)傳輸裝置100配置有位于裝置前端的內(nèi)圓周(IC)-偏移壓電換能器8、位于裝置后端的電源(電池)10、以及中部的電路板2。IC-偏移壓電換能器8可以包括具有內(nèi)圓周(IC)的內(nèi)壁32以及表(外)壁34，其在正傳輸方向上偏移。當(dāng)壓電換能器沿壁厚方向分極化時(shí)，偏移可以增強(qiáng)聲學(xué)信號(hào)的源電平。閉孔發(fā)泡材料9由例如，三元乙丙橡膠(M-類)橡膠(EPDM)橡膠或者類似人造橡膠構(gòu)成，可以安置閉孔發(fā)泡材料9以使其囿于壓電換能器8的內(nèi)壁32中。發(fā)泡材料9可以增強(qiáng)壓電換能器8的聲學(xué)性能。選擇IC-偏移壓電換能器8的尺寸將聲學(xué)信號(hào)的傳輸方位最大化。較好地定位IC-偏移壓電換能器8以使IC-偏移的方向指向接收機(jī)(例如，水聽器，未示出)，該接收機(jī)檢測(cè)壓電換能器8發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)，但對(duì)方向不進(jìn)行限定。

圖2C示出具有棒球棒設(shè)計(jì)的聲學(xué)傳輸裝置200的圖表。在此圖中，壓電換能器8可以包括內(nèi)壁32與表(外)壁34，其為同心的或者如本文此前所述為偏心的。標(biāo)簽200還可以包括聲學(xué)反射器36，位于壓電換能器8的后面在電源(電池)10與電路板2的前面。聲學(xué)反射器36反射壓電換能器8發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)，并例如，在正方向上增強(qiáng)來自聲學(xué)(標(biāo)簽)200的傳輸，如本文將進(jìn)一步描述的。在一些實(shí)施方式中，聲學(xué)反射器36可以包括具有例如～0.3mm厚度的超低密度材料例如EPDM閉環(huán)發(fā)泡材料，或者由其構(gòu)成，其可附于壓電換能器8的后面位于電路板2的前面。發(fā)泡材料可以引入一個(gè)具有大聲學(xué)阻抗失配的接口，大于20×10⁶kg/(m²·s)，將聲學(xué)能量重新定向?yàn)榭勺⑸錁?biāo)簽200的前端。此外，聲學(xué)反射器36將壓電換能器8沿正向180度波正面輸出的聲學(xué)能量的源電平提高平均至少約0.5dB至約1dB倍，但無意將聲能值進(jìn)行限定。在多個(gè)實(shí)施方式中，聲學(xué)反射器36可以包括各種選定的厚度。在一些實(shí)施方式中，聲學(xué)反射器36的寬度可以在約1.5mm以下，以避免妨礙從壓電換能器8的兩面(即，左與右)發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)。壓電反射器36的厚度部分依賴于閉孔發(fā)泡材料中氣孔的大小。厚度較佳地位發(fā)射器材料中氣孔大小的2至3倍，以確保聲波在反射發(fā)泡材料中與EPDM/空中接口至少相遇一次，以便令反射器效果最大化。

如此前所討論的，閉孔發(fā)泡材料9由例如，EPDM橡膠或者類似的人造橡膠組成，安置閉孔發(fā)泡材料9以使其囿于壓電換能器8的內(nèi)壁32中，增強(qiáng)壓電換能器8的聲特性。在一些實(shí)施方式中，壓電換能器8可以還包括具有選定厚度(例如，～0.2mm)的端蓋38，位于換能器8各平直端。端帽38可以包括選定的金屬例如銅金屬，或由其組成。利用例如，非傳導(dǎo)性環(huán)氧樹脂，將端帽38與壓電換能器8相連。端帽38可以服務(wù)于增強(qiáng)從換能器8的平直端發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)的源電平。

圖3A為示出聲學(xué)標(biāo)簽100各組件的方塊圖。雖然聲學(xué)標(biāo)簽設(shè)計(jì)為注射型特別適合通過注射附著于宿主，但標(biāo)簽不限定于此類應(yīng)用。對(duì)附著也不進(jìn)行限定。標(biāo)簽100可以包括控制器6(例如，6管腳微控制器)。屬于“微控制器”并不暗示或限定此組件所選定的尺寸。陶瓷諧振器24可以與微控制器6耦合并且用于生成時(shí)鐘信號(hào)協(xié)調(diào)各種電路的操作。紅外傳感器20可以提供光鏈路接收并自紅外配置指令編程模塊(圖3B)向控制器6發(fā)送配置指令。配置指令可以詳述用于微控制器運(yùn)行的各種參數(shù)，包括但不限定于，例如，標(biāo)簽碼、傳輸間的周期、以及其他運(yùn)行參數(shù)。壓電換能器驅(qū)動(dòng)電路包括升壓轉(zhuǎn)換電路40，其提高電源10釋放的電壓，得到驅(qū)動(dòng)電壓，并且驅(qū)動(dòng)電路42隨后將驅(qū)動(dòng)電壓發(fā)送至壓電換能器8。驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)換能器如本文進(jìn)一步詳細(xì)說明的以指定頻率發(fā)射已編碼的聲學(xué)信號(hào)。

圖3B為示出圖3A實(shí)施方式的示例性電路以及相關(guān)設(shè)備組件的電路圖。雖然聲學(xué)標(biāo)簽為一種注射型設(shè)計(jì)，具有特別適合通過注射附著于宿主的尺寸，但標(biāo)簽不限定于此類應(yīng)用。此后描述的組件為標(biāo)簽提供縮減的物理尺寸及重量并且使電路能夠在其較小尺寸下相對(duì)高效率的運(yùn)行。但是，并無意對(duì)組件進(jìn)行限定。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員基于說明所選的組件全部落入本發(fā)明的范圍之中。并無意進(jìn)行限定。

當(dāng)前實(shí)施方式的聲學(xué)傳輸裝置(標(biāo)簽)可以包括控制器(U1)6(例如，型號(hào)PIC16F1823T/CL 8位，8K閃存，芯片規(guī)模封裝的可編程微控制器，微芯片科技，錢德勒，亞利桑那州，美國(guó))具有低電流消耗(例如，在休眠模式為20nA，或者在監(jiān)視時(shí)鐘活躍的休眠模式為300nA)?？刂破?較佳地是一種可編程組件，其控制聲學(xué)標(biāo)簽100內(nèi)的電子組件與電路的運(yùn)行。控制器6可以在介于約1.8V至約3.6V的輸入電壓上運(yùn)行。所選電壓與電源(電池)10兼容?？刂破?可以包括模塊或者組件譬如，例如，內(nèi)部振蕩器；休眠模式；變化中斷性能；固定的參考電壓；溫度傳感器；時(shí)鐘；脈沖寬度調(diào)制器；以及通用異步接收器/發(fā)射器(UART)。控制器6生成升壓轉(zhuǎn)換器電路40與驅(qū)動(dòng)電路42二者的控制信號(hào)。

電源(電池)10可以在裝配期間于電路板2每面的任意一面與端子(J4)46與(J5)48連接。壓電換能器8可以在電源10的對(duì)向端于電路板2的對(duì)向面與端子(J3)50與(J1)52連接。旁路(或者解耦)電容(C2)14(例如，1-μF 4V X5R 20％鉭電容，太陽(yáng)誘電株式會(huì)社，紹姆堡，伊利諾伊州，美國(guó))可以用于當(dāng)控制器6或者升壓轉(zhuǎn)換器電路40取電時(shí)，有助于過濾電源10上的任何電噪聲并且降低取自電源10的最大峰值電流

諧振器(Y1)24(例如，10.0MHz SMD陶瓷諧振器，村田制作所，長(zhǎng)岡京市，京都府，日本)可以耦合在控制器6的輸入側(cè)以生成具有選定精確度的精確時(shí)鐘信號(hào)(例如，±0.5％精確度)，控制控制器6的運(yùn)行。電阻(R1)28(例如，1.0MOhm，1/20W，5％SMD電阻，威世科技有限公司，莫爾文，賓夕法尼亞州，美國(guó))可以與諧振器24并聯(lián)設(shè)置以降低啟動(dòng)時(shí)間并且提高生成的時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性。控制器6可以使用時(shí)鐘信號(hào)生成升壓轉(zhuǎn)換器電路40與驅(qū)動(dòng)電路42的控制信號(hào)。來自控制器6的控制信號(hào)令驅(qū)動(dòng)電路42在壓電換能器8于所需調(diào)制頻率上生成聲學(xué)信號(hào)，例如416.7kHz。時(shí)鐘信號(hào)控制并且調(diào)制(調(diào)制)頻率。

光電晶體管(Q1)20(例如，扁平黑色小型(3-mm)SMD光電晶體管，億光電子工業(yè)股份有限公司，臺(tái)北，臺(tái)灣)或者對(duì)紅外光敏感的單向紅外傳感器，當(dāng)為紅外光觸發(fā)時(shí)，其通過光鏈路接收配置指令，光鏈路將指令傳入控制器6。指令對(duì)標(biāo)簽的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行配置，包括，例如標(biāo)簽碼、傳輸期間、以及其他在標(biāo)簽附著于宿主之前或之后的操作的參數(shù)。紅外鏈路可信、簡(jiǎn)單、需要最小數(shù)量組件、且避免誤觸發(fā)問題。光電晶體管(Q1)20利用輸入管腳例如UART管腳(未示出)可以與控制器6耦合，輸入管腳配置具有產(chǎn)生中斷的“變化中斷”性能，例如基于邏輯電平的正向和/或負(fù)變化。對(duì)管腳的選擇并不限定。光電晶體管20的光鏈路可以用以將注射型標(biāo)簽與外部紅外集成電路串行程序設(shè)計(jì)(ICSP)模塊(程序設(shè)計(jì)器)56(例如，MPLAB 1CD 3程序設(shè)計(jì)器，微芯片科技，錢德勒，亞利桑那州，美國(guó))銜接。程序設(shè)計(jì)器模塊56可以將配置與編程信息包括固件碼加載到控制器6。程序設(shè)計(jì)器56可以連接主計(jì)算機(jī)(未示出)的RS-232串行端口(未示出)。外部紅外程序設(shè)計(jì)器模塊可以包括紅外LED(未示出)，在程序設(shè)計(jì)器“開”或者“關(guān)”時(shí)進(jìn)行標(biāo)示。例如，當(dāng)發(fā)射線為邏輯0(正電壓)時(shí)LED為“開”，以及當(dāng)發(fā)射線為邏輯1(負(fù)電壓)時(shí)為“關(guān)”。將字節(jié)寫入主計(jì)算機(jī)的串行端口，在紅外鏈路20上將那些字節(jié)(即，從紅外LED至光電晶體管20)發(fā)射至標(biāo)簽控制器6中。紅外鏈路20不向主計(jì)算機(jī)提供直接反饋。紅外鏈路20上的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議可以由后接字節(jié)流的2秒串行中斷組成。串行中斷開啟紅外程序設(shè)計(jì)器模塊56上的紅外LED一段延長(zhǎng)時(shí)期，以便微控制器6可以感覺到紅外光并且準(zhǔn)備配置參數(shù)。字節(jié)流可以由初始校驗(yàn)字節(jié)、一個(gè)標(biāo)示傳輸中數(shù)據(jù)字節(jié)總數(shù)的字節(jié)、以及選定數(shù)據(jù)字節(jié)組成。數(shù)據(jù)字節(jié)可以以預(yù)先定義的規(guī)則指定內(nèi)部微控制器參數(shù)的值。主計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行示例性MATLAB(邁斯沃克有限公司，內(nèi)迪克，馬塞諸塞州，美國(guó))軟件程序，通過串行端口將配置信息發(fā)送至紅外程序設(shè)計(jì)器。雖然對(duì)MATLAB進(jìn)行描述，但是可以應(yīng)用其他計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言。無意進(jìn)行限制。

在一些實(shí)施方式中，光電晶體管20提供大約300baud傳輸速率。但是無意對(duì)參數(shù)傳輸速度進(jìn)行限定。光電晶體管20通常作為紅外光觸發(fā)的簡(jiǎn)單下拉晶體管運(yùn)行。在光電晶體管20未觸發(fā)時(shí)，控制器6可以實(shí)現(xiàn)弱內(nèi)部上拉電阻在輸入管腳生成邏輯高輸入(例如，UART管腳)?？刂破?可以通過將輸入管腳接地令光電晶體管20失能以節(jié)能。

在一些實(shí)施方式中，壓電換能器驅(qū)動(dòng)電路可以包括升壓轉(zhuǎn)換器電路40，其提高電源(電池)10的電壓至更高電壓成為驅(qū)動(dòng)電壓。驅(qū)動(dòng)電路42可以與升壓轉(zhuǎn)換器電路40耦合以將驅(qū)動(dòng)電壓發(fā)送至壓電換能器8然后驅(qū)動(dòng)壓電換能器8。升壓轉(zhuǎn)換器電路40可以包括電感(L1)12(例如，47μH，35mA 20％電感，TDK公司，紐約，紐約州，美國(guó))，其將磁能存儲(chǔ)為電子流、MOSFET晶體管(Q2)16(例如，F(xiàn)ET n-溝道型30V，1.78A MOSFET，仙童半導(dǎo)體，圣何塞，加利福尼亞州，美國(guó))重復(fù)接通關(guān)閉，二極管(D1)30(例如，30V二極管，美臺(tái)有限公司，普萊諾，德克薩斯州)將電流主要向著輸出單方向傳導(dǎo)，并且電容(C1)22(例如，22μF 10V20％鉭電容，威世思碧，莫爾文，賓夕法尼亞州，美國(guó))存儲(chǔ)從升壓轉(zhuǎn)換電路40發(fā)送的提升后的電壓。MOSFET晶體管(Q2)16與控制器6的輸出耦合。當(dāng)控制器6將晶體管(Q2)16切換為“開”時(shí)，電感(L2)26中的電流開始增加。當(dāng)微控制器6將晶體管(Q2)16切換為“關(guān)”時(shí)，電感(L1)12中的電流通過二極管(D1)30傳送至電容(C1)22為電容充電?？刂破?可以將晶體管(Q2)16切換“開”與“關(guān)”選定次數(shù)以將電容(C1)22充電至所需值。電容(C1)22可以具有約10V的最小值以及至少大約22μF的電容量以在驅(qū)動(dòng)電路42下拉電流時(shí)將電壓下降最小。升壓轉(zhuǎn)換器電路40將合適的驅(qū)動(dòng)電壓(HVDD)58作為輸入發(fā)送至驅(qū)動(dòng)電路42。

驅(qū)動(dòng)電路42可以與微控制器6的輸出側(cè)耦合以傳送升壓轉(zhuǎn)換器電路40釋放的驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)聲學(xué)信號(hào)從壓電轉(zhuǎn)換器8傳輸。驅(qū)動(dòng)電路42可以定義信號(hào)電平與注射型聲學(xué)標(biāo)簽的信號(hào)途徑。驅(qū)動(dòng)電路42可以包括電感(L2)26(例如，100μH 85mA 20％SMD電感，太陽(yáng)誘電株式會(huì)社，紹姆堡，伊利諾伊州，美國(guó))其將磁能存儲(chǔ)為點(diǎn)子流、以及MOSFET晶體管(Q3)18(例如，n-溝道型30V，1.78A SOT-883MOSFET，仙童半導(dǎo)體，圣何塞，加利福尼亞州，美國(guó))，其開啟閉合。晶體管(Q3)18可以與控制器6的輸出管腳耦合.驅(qū)動(dòng)電路42可以貼附于電路板2的端子(J1)50與(J3)52。連接器52的電壓系于提升的電壓(HVDD)58。

當(dāng)微控制器6將晶體管(Q3)18切換為“開”時(shí)，電感(L2)26中的電流開始增加。連接器52的電壓可以設(shè)置為接地。當(dāng)微控制器6將晶體管(Q3)18切換為“關(guān)”時(shí)，電感(L2)26與壓電換能器8觀念上形成一個(gè)諧振LC電路。壓電換能器8的連接器52的電壓可以在由電感(L2)26的感應(yīng)系數(shù)以及壓電換能器8的特征電容確定的頻率上共振。共振頻率可以比所需的聲波信號(hào)調(diào)制頻率更大。連接器52上的電壓可以高于驅(qū)動(dòng)電壓(HVDD)58并且之后回歸為接近接地?？刂破?可以將晶體管(Q3)18切換回“開”以防止壓電換能器8中發(fā)生更多振動(dòng)。端子50與端子52之間連接的壓電換能器8上的電壓差可以因此在負(fù)值與正值之間變化。

控制器6可以在特定模式下切換晶體管(Q3)18的“開”與“關(guān)”，生成所需的或者選定的共振頻率，驅(qū)動(dòng)電路42可以適用于壓電換能器以在所選頻率上生成正確的聲學(xué)波形。為了發(fā)射代表標(biāo)簽碼一比特的一系列聲學(xué)脈沖，微控制器6可以將方波應(yīng)用于具有所需調(diào)制頻率(例如，416.7kHz)的晶體管(Q3)18。方波的責(zé)任周期一般為33％以便晶體管(Q3)18可以在每個(gè)調(diào)制周期的三分之一時(shí)間內(nèi)切換為“開“，且可以使電感(L2)26與壓電換能器8在每個(gè)調(diào)制周期的三分之二時(shí)間內(nèi)共振。當(dāng)從邏輯“0”比特變?yōu)檫壿嫛?”比特時(shí)，或者相反，微控制器6可以延遲下一次脈沖一個(gè)時(shí)間周期，即半個(gè)調(diào)制周期。此程序從壓電換能器8產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)，壓電換能器包括通過例如相移鍵控(PSK)實(shí)現(xiàn)的編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，

在多個(gè)實(shí)施方式中，可以使用獨(dú)立的MOSFET晶體管(Q2)16與(Q3)18而不使用單個(gè)雙溝道MOSFET晶體管以使電路板2上的布局與設(shè)計(jì)便利，但是無意將構(gòu)造限定于此。進(jìn)一步地，本文所描述的電路板2上的組件可以設(shè)置得十分臨近以降標(biāo)簽長(zhǎng)度最小化。例如，由于諧振器24周圍為絕緣材料所包圍，因此諧振器24與電感(L2)26可以在板子裝配后相接觸而沒有問題。

圖3C表明了示例性電路板設(shè)計(jì)，示出之前參考圖3A描述的聲學(xué)標(biāo)簽的代表組件。

圖3D為示出本發(fā)明另一聲學(xué)傳輸裝置(標(biāo)簽)300各個(gè)組件的方框圖。在圖中，標(biāo)簽300可以包括電感電路，電感電路包括一個(gè)雙(例如，2合1)模擬開關(guān)44，雙模擬開關(guān)44與高效電感13(例如，100μH電感)電耦合，該高效電感13代替了此前結(jié)合圖3B描述的升壓轉(zhuǎn)換電路。開關(guān)44中每個(gè)模擬開關(guān)配置用于發(fā)送在兩個(gè)模擬開關(guān)之間更替的0或3V差分電壓。雙模擬開關(guān)44在電感13與壓電換能器8子電路上發(fā)送6V的網(wǎng)電壓。標(biāo)簽300的電感電路為高效電路，其將從PZT 8傳輸聲學(xué)信號(hào)所需能量降低3倍或更多倍(例如，從之前描述的升壓電路設(shè)計(jì)的120μJ降至35μJ)，這將標(biāo)簽的壽命提高至少3至4倍，例如在傳輸速率為3秒時(shí)從20天提高至90天或者更久。

在當(dāng)前設(shè)計(jì)中，當(dāng)前實(shí)施方式的諧振電感電路將6V驅(qū)動(dòng)電壓(V_RMS)發(fā)送至PZT 8，其高于電源10福特至少大約3伏特。當(dāng)前設(shè)計(jì)在維持xiang’tongyuan提高了能源轉(zhuǎn)換效率，降低專用組件的數(shù)量，同時(shí)維持原有源電平的表現(xiàn)。當(dāng)前實(shí)施方式的標(biāo)簽可以特別適用于例如深水宿主應(yīng)用、或者需要更長(zhǎng)生命周期的應(yīng)用、或涉及更長(zhǎng)距離的應(yīng)用。但是，無意進(jìn)行限定。雙模擬開關(guān)44與電感13可以如本文此前描述由微控制器支配。標(biāo)簽300還可以包括本文此前描述的其他組件，包括，但不限定于，例如紅外傳感器20與諧振器24。無意進(jìn)行限定。

圖3E表明此前結(jié)合圖3D描述的聲學(xué)標(biāo)簽的電路圖。壓電換能器驅(qū)動(dòng)電路可以包括雙模擬開關(guān)(U2)44，其與高效屏蔽電感(L1)13(例如，100μH電感耦合)。電感13可以包括選定的尺寸(例如，2mm×2mm×0.6mm)。雙模擬開關(guān)44與屏蔽電感13可以與微控制器(U1)6及本文此前描述的電源10耦合。電源(電池)10可以與端子(J4)46及(J2)48在封裝時(shí)于電路板2每一面的任一面上連接?？刂破?可以以一模式切換雙模擬開關(guān)44的各模擬開關(guān)的“開”與“關(guān)”，該模式生成所需或者選定的共振頻率，然后可以將共振頻率發(fā)送至壓電換能器以在選定的頻率上生成正確的聲學(xué)波形。例如，控制器6生成壓電換能器驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)。壓電換能器驅(qū)動(dòng)電路配置有雙模擬開關(guān)44與高效電感13，將來自電源(電池)10的電壓提高至約3伏特以生成驅(qū)動(dòng)電壓，可以發(fā)送該驅(qū)動(dòng)電壓以驅(qū)動(dòng)壓電換能器(圖3D)。時(shí)鐘信號(hào)控制并調(diào)制(調(diào)制)頻率。在當(dāng)前設(shè)計(jì)中，微控制器6可以開啟關(guān)閉雙模擬開關(guān)44并將高效電感(L1)的振動(dòng)與壓電換能器的諧振頻率同步。該壓電換能器在所需調(diào)制頻率，例如，416.7kHz生成聲學(xué)信號(hào)。壓電換能器驅(qū)動(dòng)電路包括雙模擬開關(guān)(U2)44與高效電感(L1)13可以附著于電路板的端子(J1)50與(J3)52。連接器52上的電壓可以在高效電感(L1)13生成的感應(yīng)系數(shù)確定的頻率上振動(dòng)。端子50與端子52之間的電壓差可變化并且可以在負(fù)值與正值之間變動(dòng)。

在當(dāng)前實(shí)施方式中，電容(C1)15(例如，33μF，6.3V電容)以及電阻(例如，470ohm電阻)(R2)29可以與電源10耦合減少取自電源的瞬時(shí)峰值電流。諧振器(Y1)24(例如，10MHz陶瓷諧振器，村田制作所，長(zhǎng)岡京市，京都府，日本)可以耦合控制器6的輸入側(cè)以生成選定精確度(例如，±0.5％精確度)的精確時(shí)鐘信號(hào)，控制控制器(U1)6的運(yùn)行。電阻(R1)28(例如，1.0MOhm電阻)可以與諧振器24并聯(lián)設(shè)置以降低啟動(dòng)時(shí)間并且提高生成的時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性?？梢园惭b光電晶體管(Q1)20或者單向紅外傳感器以自主計(jì)算機(jī)通過光鏈路接收配置指令，光鏈路將指令傳至控制器6。指令配置標(biāo)簽的各個(gè)參數(shù)包括，例如標(biāo)簽碼、傳輸周期、以及標(biāo)簽附著于宿主之前或者之后的操作的其他參數(shù)。如本文此前所述，光電晶體管20光鏈路可以將聲學(xué)標(biāo)簽與紅外集成電路串行程序設(shè)計(jì)(ICSP)模塊(程序設(shè)計(jì)器)56銜接，程序設(shè)計(jì)器模塊56可以將配置與編程信息加載到控制器6。紅外鏈路20上的數(shù)據(jù)傳輸還可以依此前所描述的實(shí)施。

當(dāng)前實(shí)施方式的能源轉(zhuǎn)換效率高于配置有升壓轉(zhuǎn)換器電路(圖3A)的標(biāo)簽。高效壓電換能器驅(qū)動(dòng)電路可以相較于升壓轉(zhuǎn)換器電路以更少的組件操作。更少的組件減少了運(yùn)轉(zhuǎn)標(biāo)簽所需的能源，又令聲學(xué)標(biāo)簽為更加小的宿主與應(yīng)用構(gòu)造得更小。此外，高效電路可以降低發(fā)射聲學(xué)信號(hào)所需能源，提高標(biāo)簽的能源效率。在一些實(shí)施方式中，在聲學(xué)信號(hào)強(qiáng)度大約為155dB至大約156dB時(shí)，能源消耗可以低于大約35μJ。相較于升壓電路設(shè)計(jì)，高效電路將聲學(xué)標(biāo)簽的服務(wù)壽命提高達(dá)3倍或者更久。傳輸(傳送)速度為三秒聲學(xué)信號(hào)強(qiáng)度為大約155dB至大約156dB，標(biāo)簽壽命可以至少為90天。

圖3F表明配置有此前結(jié)合圖3D所述的聲學(xué)標(biāo)簽的代表組件的示例性電路板設(shè)計(jì)。

圖4示出定制電源(電池)10(此后稱為MB306)的剖視圖，其向本發(fā)明的聲學(xué)發(fā)射機(jī)(標(biāo)簽)(圖1a-1c)與電組件供電。電池10可以包括陰極62，其包括氟化石墨混合物，作為活性陰極材料在粘合劑例如聚四氟乙烯(PTFE)中與導(dǎo)電碳混合，形成獨(dú)立電極。在示例性實(shí)施方式中，混合陰極62可以包括85wt％活性陰極材料、10wt％導(dǎo)電碳(例如導(dǎo)電碳，特米高有限公司，博迪奧，瑞士)，以及5wt％PTFE。干燥時(shí)，混合陰極材料引入(例如緊貼)在集電器支撐物64上，集電器支撐物64由鋁(或其他金屬)網(wǎng)構(gòu)成以形成混合陰極電極62。集電器64提供電池10中各陰極62與陽(yáng)極72電極之間的電子轉(zhuǎn)移。金屬連接線66[例如，正(+)連接線]由例如，銅漆包線62(具有或者沒有銅線連接線66)可分為具有選定尺寸的節(jié)。單個(gè)陰極節(jié)62可以引入分隔裝置70的兩層之間，分割裝置70金屬由例如，微孔聚丙烯(例如分隔裝置2500，Celgard有限責(zé)任公司，夏洛特，北卡羅來納州，美國(guó))組成，其將陰極62與陽(yáng)極72在單獨(dú)的陰極/陽(yáng)極層合板(對(duì))74電氣隔離。陽(yáng)極72可以包括或者由選定厚度的鋰金屬[FMC鋰，夏洛特，北卡羅來納州，美國(guó))組成。在一些實(shí)施方式中，陽(yáng)極72的厚度可以是大約0.15mm，但是不進(jìn)行限定。陽(yáng)極連接線68(例如，0.13mm O.D.)可以由例如，銅構(gòu)成，并且通過直接在鋰金屬上壓連接線68與陽(yáng)極72耦合。

多個(gè)獨(dú)立電氣化學(xué)陰極/陽(yáng)極對(duì)(壓層)74每個(gè)包括陰極62與陽(yáng)極72，可以捆綁在一起并且引入容器76內(nèi)。在多個(gè)實(shí)施方式中層合板74可以包括約0.21mm至約0.24mm之間的厚度，但無意對(duì)尺寸進(jìn)行限定。容器76可以為大致圓柱型并且由高強(qiáng)度材料譬如氟聚化物，例如，乙烯四氟乙烯(ETFE)構(gòu)成以商號(hào)名稱(杜邦，威爾明頓，特拉華州，美國(guó))商業(yè)銷售或者鋁。聚合物包括解鏈溫度、高流速、以及卓越的化學(xué)與電氣電阻特性。容器76具有引入容器76的壓層74，容器可以填充電解液78(平均至35mg)以將傳統(tǒng)CF電化電池的時(shí)間延遲特征最小化。在多個(gè)實(shí)施方式中，電解液78可以包括或者由例如，1M六氟磷酸鋰(LiPF₆)構(gòu)成，其撥入至碳酸二甲脂(DMC)中碳酸次乙酯(EC)1∶1體積率[EC∶DMC]。容器76然后可以在通過引入蓋中的孔(未示出)插入引線66與68之后，由聚合物蓋80覆蓋。電池10在裝配時(shí)可以密封，例如通過環(huán)氧樹脂或者其他熱固性聚合物。表1示出與傳統(tǒng)(SR416)氧化銀(Qyt＝2堆疊)電池相比，本發(fā)明定制電源(MB306)的物理特性。

表1比較本發(fā)明定制電池(MB306)的物理特性與傳統(tǒng)氧化銀(SR416)電池。

如表中所示，電池10可以具有3.0mm的外徑以及6.0mm的長(zhǎng)度(公差±0.2mm)。電池10膠囊壁和蓋的壁厚約0.15mm，但不進(jìn)行限定。電池具有低質(zhì)量[大致0.075g(±0.02g)]以及低體積[大致0.042cm³]。電池的當(dāng)前重量相較于在先設(shè)計(jì)意味著對(duì)被標(biāo)記的動(dòng)物減少71％的重量負(fù)擔(dān)。表2將本發(fā)明電源的性能屬性與商業(yè)氧化銀電池相比較。

圖2列出本發(fā)明電源(電池)典型運(yùn)行與性能參數(shù)。

電池10可以包括室溫(例如，23℃)下放電率為約86mA/g(1mA/cm²)。截止電壓可以為月1.5V。電池10還可以實(shí)現(xiàn)231Wh/kg的重力比重(408Wh/L的體積比重)，在傳統(tǒng)SR 416電池之上增大133％。操作中，電池10還可以在從0℃至25℃的大溫度范圍上實(shí)現(xiàn)至少2.85伏特的穩(wěn)定輸出電壓以及穩(wěn)定脈沖電流。此輸出電壓比商業(yè)氧化銀(例如，SR 416)電池高近1V，其去除了類似在先JSATS發(fā)射器對(duì)電池組的需求或者為實(shí)現(xiàn)3V輸出對(duì)額外電子器件的需求。相較于現(xiàn)有JSATS發(fā)射器中使用的氧化銀電池，電池10還可以具有固有的低阻抗。圖5將本發(fā)明的電池阻抗與傳統(tǒng)氧化銀電池相比較。數(shù)據(jù)示出在自約-5℃至約25℃及之外的大溫度范圍上，本發(fā)明的電池性能優(yōu)于氧化銀電池。電池10較本領(lǐng)域公知的使用氧化銀電池的傳統(tǒng)發(fā)射器，可以為激活聲學(xué)傳輸裝置提供長(zhǎng)久的服務(wù)壽命以及穩(wěn)定的電壓性能。電源10的壽命基于對(duì)脈沖(傳輸)速率間隙(PRI)的選取而可選擇。不對(duì)脈沖(傳輸)速率間隙進(jìn)行限制。

標(biāo)簽壽命

表3列出示例性實(shí)驗(yàn)結(jié)果示出本發(fā)明聲學(xué)標(biāo)簽的壽命。

表3列出示例性實(shí)驗(yàn)結(jié)果示出本發(fā)明聲學(xué)標(biāo)簽的壽命。

*不確定。

在一些實(shí)施方式中，聲學(xué)裝置配置有升壓轉(zhuǎn)換器電路，可以在傳輸速率約3秒約20天的活躍壽命上傳送聲學(xué)信號(hào)。在一些實(shí)施方式中，聲學(xué)傳輸裝置可以在傳輸速率約5秒至少30天的活躍壽命上發(fā)送聲學(xué)信號(hào)?？梢赃x取更長(zhǎng)的標(biāo)簽壽命：7秒：40天；以及10秒：60天。

在一些實(shí)施方式中，聲學(xué)傳輸裝置配置有高效電感及上模擬開關(guān)，可以在傳輸速度為3秒時(shí)在約90天或更久的活躍壽命上提供聲學(xué)信號(hào)。在傳輸速率為5秒甚至更大時(shí)，壽命可以為約150天或者更久。但是，無意進(jìn)行限定。

圖6A與6B將本發(fā)明電源(即，MB306電池)在25℃與0℃生成的脈沖電流(mA)與傳統(tǒng)氧化銀電池相比較。結(jié)果示出電池脈沖電流展示出更大振幅相較于氧化銀電池得到的脈沖電流傳輸更迅速。

圖7將本發(fā)明電源(MB 306)的電池電壓在0℃脈沖傳輸期間與傳統(tǒng)氧化銀電池相比較。數(shù)據(jù)示出在低溫下氧化銀電池的壓降較MB 306電池有約兩倍的更大壓降。當(dāng)處于未激活狀態(tài)時(shí)，本發(fā)明的注射型聲學(xué)標(biāo)簽在裝配之后在存儲(chǔ)在室溫(23℃)時(shí)維持電池容量大于85％12個(gè)月。

控制器固件

源代碼加載到控制器(圖3A)存儲(chǔ)器中，可用于控制注射型聲學(xué)標(biāo)簽的功能與操作?？稍谥饔?jì)算機(jī)上以裝配語(yǔ)言(例如，PIC裝配語(yǔ)言)或者更高級(jí)的語(yǔ)言(例如，C編程語(yǔ)言)編制(例如，使用集成MPLAB開發(fā)環(huán)境或者類似的軟件工具)源代碼。主計(jì)算機(jī)上的軟件工具創(chuàng)建固件，例如以二進(jìn)制或者衍生代碼(例如，十六進(jìn)位或者十六進(jìn)制)，其可編制到電路板(圖1)上的控制器中。源代碼可被劃分為多個(gè)示例模塊包括，但不限定于：主：指定配置位、聲明變量、以及在控制器重置后執(zhí)行初始指令；初始化；清除所有工作變量；校驗(yàn)；校驗(yàn)時(shí)鐘(例如監(jiān)視時(shí)鐘)用于設(shè)置傳輸頻率；等待；周期性檢查紅外傳感器直至配置了標(biāo)簽；存儲(chǔ)；保持紅外傳感器活躍直至配置了標(biāo)簽；休眠；在開始聲學(xué)傳輸之前等待指定時(shí)間(例如，30天)；運(yùn)行；在聲學(xué)傳輸之間等待指定期間(例如，3秒)；發(fā)射；激活升壓轉(zhuǎn)換電路(圖3a)與驅(qū)動(dòng)電路(圖3a)以在壓電轉(zhuǎn)換器(圖1)上生成所需聲學(xué)信號(hào)；編程；讀取來自紅外鏈路的配置數(shù)據(jù)并且設(shè)置操作模式及其他參數(shù)；調(diào)試；獲取改進(jìn)意圖碼；以及表格；獲取查找表以實(shí)施計(jì)算操作，用于計(jì)算溫度或者其他傳感器數(shù)據(jù)。控制器固件可以獲取一個(gè)或者更多個(gè)參數(shù)，其控制標(biāo)簽的功能與操作。這些參數(shù)可以在微控制器首次上電時(shí)被初始化為缺省值，并且此后經(jīng)由紅外鏈路配置為新的值。表4列出可存儲(chǔ)在控制器存儲(chǔ)器中用于控制注射型聲學(xué)傳輸裝置(標(biāo)簽)的操作的示例性參數(shù)。

圖4列出控制器存儲(chǔ)器中注射型聲學(xué)傳輸裝置(標(biāo)簽)操作的示例性參數(shù)，其具有相關(guān)存儲(chǔ)條件，

傳感數(shù)據(jù)

控制器(圖3A)可以包含內(nèi)部溫度傳感器?？刂破骺梢栽谝粋€(gè)或者更多個(gè)標(biāo)簽碼中嵌入5比特溫度值(或者是可能的不同長(zhǎng)度的其他傳感器值)，標(biāo)簽碼由壓電換能器發(fā)射至接收機(jī)。由于電池電壓中的控制器補(bǔ)償變化的方式，溫度傳感器輸出可以輸出從0至31的數(shù)值，其隨溫度變化但其不是攝氏度的實(shí)際溫度。每個(gè)標(biāo)簽的休眠可以外置實(shí)現(xiàn)以確定數(shù)值與實(shí)際溫度之間的關(guān)系，例如通過記錄數(shù)個(gè)不同溫度下的數(shù)值?？刂破髟创a可以實(shí)現(xiàn)所需的內(nèi)置計(jì)算以去除溫度數(shù)據(jù)上的電池電壓的影響?？梢赃\(yùn)行此步驟，例如自本文此前所描述的運(yùn)行模塊。為提高性能，源代碼可以實(shí)施數(shù)個(gè)計(jì)算操作如表格查找，但不限定于此。

傳輸探測(cè)范圍

本發(fā)明標(biāo)簽發(fā)射的聲學(xué)信號(hào)可以包括淡水中高達(dá)1km(3,280ft)的探測(cè)范圍。但是，無意進(jìn)行限定。例如，在具有相對(duì)大量背景噪聲的位置，例如水壩溢口的正下游，可將信號(hào)發(fā)射約100米。在其他具有相對(duì)小背景噪聲的位置，例如湖中央，可將信號(hào)發(fā)射高達(dá)約500米。但是無意對(duì)距離進(jìn)行限定?？蓪?duì)標(biāo)簽信號(hào)進(jìn)行最大長(zhǎng)度的編碼以提高范圍及清晰度。

波束傳輸圖形

圖8將用于與本發(fā)明配合的集成電路偏移(非同心)壓電管狀換能器(例如，型號(hào)#610HD的PZT管狀換能器，TRS技術(shù)有限公司，斯泰特克里奇，賓夕法尼亞州，美國(guó))的波束圖形與傳統(tǒng)(同心的)壓電管狀換能器相比較。在測(cè)試配置中，集成電路偏移壓電管狀換能器的內(nèi)圓周偏離管中心0.15mm。結(jié)果示出在向注射型標(biāo)簽的前180°傳送(例如從0°至90°以及從270°至0°)聲能(源電平輸出)被增強(qiáng)。聲能(源電平輸出)從壓電管狀換能器的前面發(fā)送，提供波束圖形，其較佳地為全方向的至少在波陣面的前180°。向后180°的聲源被降低了。可以調(diào)整集成電路偏移以增強(qiáng)向標(biāo)簽前發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)直至壓電材料的機(jī)械限制。波束圖形還可以為壓電換能器上的環(huán)氧樹脂涂層的形狀、位于壓電換能器后的電氣組件的尺寸、以及壓電換能器與其他電氣組件后面或者之間的間隙或者空間所影響。測(cè)試示出位于壓電換能器后面的電氣組件所具有的高度尺寸大于1時(shí)可以生成的波束圖形所具有的聲學(xué)輸出，比位于標(biāo)簽兩側(cè)或者更多側(cè)的更低。因此，為實(shí)現(xiàn)全方向的波束圖形，管狀壓電換能器上的環(huán)氧樹脂涂層應(yīng)該纖薄(＜0.2mm)。涂層還應(yīng)該順應(yīng)壓電換能器的外表面以將涂層中的不規(guī)則最小化，不規(guī)則可造成源電平的波動(dòng)指示不規(guī)則波束圖形。波陣面效果源于發(fā)出的與反射的聲波之間的相互影響，可通過如本文所述的在壓電換能器后面插入反射器使之最小化。

圖9示出示例性的本發(fā)明注射型聲波標(biāo)簽的波束圖形。分割間隙54直接位于壓電換能器的后面，分割間隙54與(例如，1.6mm長(zhǎng))電感(圖1A)可以包括各種選定的寬度或者空間尺寸(例如，0.23mm與0.57mm)。在一些實(shí)施方式中，標(biāo)簽可以配備有由例如，EPDM閉孔發(fā)泡材料組成的聲學(xué)反射器36，可以置于間隙54中以改善標(biāo)簽的波束圖形。在示例性實(shí)施方式中，標(biāo)簽配備有置于間隙54中的聲學(xué)反射器36，標(biāo)簽示出具有180°波陣面的波束圖形(即，從0°至90°以及從270°至0°)，當(dāng)壓電換能器與電感12(或者另一個(gè)組件)之間的間隙空間增大時(shí)，波束圖形變得更一致。結(jié)果可歸因于通過聲學(xué)反射器從鄰近的電氣組件回到壓電換能器的聲波反射。反射器還抑制間隙54中的聲波。測(cè)試示出從壓電換能器后(即，面向電路板)發(fā)出的聲能由于與壓電換能器相關(guān)的水聽器的位置不太可能被探測(cè)到。通過聲學(xué)反射器將聲能的方向改變?yōu)槌驂弘姄Q能器的前端，提高探測(cè)的可能性。

標(biāo)簽組件的封裝

圖10示出示例性標(biāo)簽?zāi)?0用以封裝裝配后的聲學(xué)標(biāo)簽。標(biāo)簽?zāi)?0可以包括頂部82與底部84，由例如，未填充的聚醚酰亞胺塑料(例如，樹脂1000，沙基工業(yè)公司，利雅得，沙特阿拉伯)構(gòu)成，在各自的半部分中具有孔86，半部分為另一半部分的鏡像，裝配的標(biāo)簽可以置于其中。在示例性實(shí)施方式中，模90可以包括至少一個(gè)進(jìn)口88以及兩個(gè)出口92。環(huán)氧樹脂可以利用譬如真空成型工藝或者注射成型工藝的工藝經(jīng)模90流過。釋放劑(例如，DC 20，道康寧，米德蘭，密歇根州，美國(guó))為大約1份DC 205份二甲苯的稀釋濃度)，其可以施于標(biāo)簽?zāi)?0的孔86的表面以令封裝的標(biāo)簽在環(huán)氧樹脂已經(jīng)消除后易于釋放。在一些實(shí)施方式中，可以應(yīng)用真空成型工藝?？梢詮哪?0的出口92抽真空以制造壓差使得環(huán)氧樹脂流動(dòng)。通過經(jīng)過所有孔86的真空可以對(duì)環(huán)氧樹脂的流動(dòng)進(jìn)行指引。對(duì)模90密封以防止氣窩引入標(biāo)簽組件周圍的涂層。配置模90以便環(huán)氧樹脂從標(biāo)簽的壓電換能器端(見圖1A)流入每個(gè)孔96并在標(biāo)簽的電池端(見圖1A)流出模90以使壓電換能器與電子裝置全覆蓋。微電池，最大的組件周圍的流可以象征環(huán)氧樹脂流最大的阻力并且因此象征最大的壓降。O-ring(ID＝146mm)可以應(yīng)用在模中提供密封。各孔84的環(huán)氧樹脂入口管94可以位于壓電管狀換能器的兩個(gè)平直開口端中的一個(gè)(并非直接位于壓電換能器的曲表面)以避免在完成的標(biāo)簽的壓電換能器圖層中引入不光滑表面，其可低于聲學(xué)信號(hào)的源電平。

在一些實(shí)施方式中，可以應(yīng)用注射成型。環(huán)氧樹脂可以用例如注射器針頭活塞(未示出)機(jī)械推動(dòng)通過模90。環(huán)氧樹脂可以通過進(jìn)口88，通過模90的所有孔86引入.，并且在流經(jīng)模90的每側(cè)孔86之后通過出口92流出模92?？赏ㄟ^流動(dòng)的環(huán)氧樹脂將空氣推出模90，其還可以防止空氣倒引回模90中?？赏ㄟ^模的設(shè)計(jì)指引流。為達(dá)成統(tǒng)一，模90的每個(gè)孔86較佳地填充有待封裝的標(biāo)簽組件或譬如用于空孔的塑性黏土的填充劑。填充空孔避免環(huán)氧樹脂先流進(jìn)空孔中且避免促使在標(biāo)簽位于其他孔中形成氣窩。環(huán)氧樹脂注入的最佳速度部分取決于所應(yīng)用的環(huán)氧樹脂的類型。適宜使用的樹脂包括熱固性環(huán)氧樹脂譬如，例如，EPO-TEK 301或者電氣用樹脂5。兩種樹脂均可用于在選擇的適宜注入速率封裝標(biāo)簽。最小注入速率約為10mL/min，提供對(duì)標(biāo)簽組件有效封裝的流。將模90設(shè)置在垂直位置還可以有助于移除模內(nèi)的氣窩。

編碼與激活

注射型標(biāo)簽可以以可選碼長(zhǎng)的一個(gè)或者更多個(gè)標(biāo)簽碼進(jìn)行編程。每個(gè)標(biāo)簽碼可以配置具有相同或者不同的標(biāo)簽標(biāo)識(shí)(ID)碼。每個(gè)ID碼可以包括一個(gè)(n)比特的標(biāo)簽ID長(zhǎng)度。在本文所述的示例性實(shí)施方式中，一個(gè)或者更多個(gè)標(biāo)簽碼的每一個(gè)具有31二進(jìn)制比特的長(zhǎng)度，并且由7比特(即，長(zhǎng)度)的“巴克”碼、16比特標(biāo)簽ID碼、以及8比特的循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)。CRC為誤差檢測(cè)碼，作為標(biāo)簽碼的一部分發(fā)射，通常用于檢測(cè)原始數(shù)據(jù)的變化。所發(fā)射的數(shù)據(jù)可以添加有固定(例如，3比特至8比特)長(zhǎng)度的短CRC(即，數(shù)據(jù)驗(yàn)證)值。當(dāng)取回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，可重復(fù)CRC計(jì)算確保數(shù)據(jù)沒有破壞。一個(gè)或者更多個(gè)標(biāo)簽碼的格式是可配置的?？膳渲酶袷绞沟妹總€(gè)標(biāo)簽可以具有多種且不同的用戶定義編碼配置適用于各種應(yīng)用。例如，標(biāo)簽碼的數(shù)量與長(zhǎng)度是可配置的。在多個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明的注射型聲學(xué)標(biāo)簽可以每個(gè)包括一個(gè)或者更多個(gè)每個(gè)具有可選擇的最多達(dá)64比特碼長(zhǎng)的標(biāo)簽碼。在一些實(shí)施方式中，控制器可以在兩個(gè)標(biāo)簽碼之間交替，在第一周期為第一碼而在第二周期為第二碼，每個(gè)具有它們各自的ID碼。在兩個(gè)標(biāo)簽碼之間交替在維持與現(xiàn)有接收機(jī)設(shè)備的向后兼容的同時(shí)增加可能唯一的二進(jìn)制標(biāo)簽識(shí)別(ID)的數(shù)量。如果每個(gè)標(biāo)簽碼包含一個(gè)16比特的標(biāo)簽ID碼、兩個(gè)標(biāo)簽碼，提供總共2¹⁶次的2¹⁶，或者超過4百萬個(gè)唯一ID。本發(fā)明的標(biāo)簽還可以在每個(gè)周期發(fā)射相似或者相同的碼從而與現(xiàn)有的JSATS標(biāo)簽向后兼容。例如，在需要單一標(biāo)簽ID碼的應(yīng)用中，兩個(gè)ID碼可以相同值編碼?？梢詰?yīng)用其他數(shù)量的標(biāo)簽碼而不進(jìn)行限制?？梢酝ㄟ^將紅外線編碼設(shè)計(jì)器(圖3B)連接至計(jì)算機(jī)(未示出)上的串行端口、將IR LED設(shè)置在IR編碼設(shè)計(jì)器上距標(biāo)簽光電晶體管(圖3B)1cm距離并且為IR編碼設(shè)計(jì)器供電，以所有需要的操作參數(shù)配置并且激活標(biāo)簽?？梢赃\(yùn)行主計(jì)算機(jī)上的編程腳本，其通過控制器的串行端口將指令連續(xù)發(fā)送至IR編程設(shè)計(jì)器，配置標(biāo)簽。編程時(shí)間為平均約10秒或者更少。當(dāng)配置完成時(shí)IR編碼設(shè)計(jì)器上的LED可以關(guān)閉。可將標(biāo)簽設(shè)置在存儲(chǔ)模式并且存儲(chǔ)在黑匣子內(nèi)直至準(zhǔn)備注射。當(dāng)使用時(shí)，標(biāo)簽可被再次配置以在發(fā)射或者休眠模式設(shè)置微控制器。

本發(fā)明的標(biāo)簽碼還可以發(fā)射來自標(biāo)簽所包括的各種傳感器的數(shù)據(jù)。在多個(gè)實(shí)施方式中，例如，微控制器或者標(biāo)簽可以包含內(nèi)部溫度傳感器或者其他傳感器。在一些實(shí)施方式中，微控制器可以包含內(nèi)部溫度傳感器。在一些實(shí)施方式中，部分碼可以用于將溫度和/或其他傳感器測(cè)量嵌入傳輸碼中。例如，當(dāng)使用溫度傳感器時(shí)，溫度數(shù)據(jù)可以在宿主動(dòng)物中收集并且編碼為部分組件(例如，為5比特溫度值)，其可以并作全(例如，第二)標(biāo)簽碼的組成部分，然后可以對(duì)其編碼并且在聲學(xué)信號(hào)中從標(biāo)簽發(fā)射至接收機(jī)。作為示例，當(dāng)對(duì)溫度測(cè)量編碼時(shí)，第一主碼可以包括，例如7比特的巴克碼、16比特的ID碼(具有唯一ID)、以及8比特的CRC。主碼可以后接含有部分ID碼的具有溫度數(shù)據(jù)的第二碼，例如，7比特“巴克”碼、11比特的第二標(biāo)簽ID、5比特的溫度碼、以及9比特CRC。

在一些實(shí)施方式中，溫度傳感器可以提供依賴于電池電壓的模擬輸出[例如，數(shù)值從0至31(并非實(shí)際℃溫度)，其隨溫度增大]。在此類應(yīng)用中，微控制器可以同時(shí)測(cè)量溫度值與電池電壓值二者并且然后實(shí)施內(nèi)置計(jì)算以補(bǔ)償測(cè)量與實(shí)際的溫度值及電池電壓之間的任何偏差。由于CRC可以作為更新的溫度比特的結(jié)果而改變，可以配置微控制器以指定32CRC碼，每個(gè)8比特長(zhǎng)，以與溫度特征配合使用。標(biāo)簽可以在ID碼的傳輸最后發(fā)送適當(dāng)?shù)腃RC碼。

聲學(xué)標(biāo)簽的附著

本發(fā)明的聲學(xué)標(biāo)簽可以以多種方式附著于宿主。在一些實(shí)施方式中，聲學(xué)標(biāo)簽可以為注射型聲學(xué)標(biāo)簽配置有能夠使其注入宿主動(dòng)物的尺寸。注射可以將標(biāo)記個(gè)體動(dòng)物的時(shí)間最小化或者將與手術(shù)植入宿主動(dòng)物的相關(guān)不良生物反應(yīng)最小化。在一些實(shí)施方式中，注射型聲學(xué)標(biāo)簽可以通過8-gauge注射器針頭注入宿主。在一些應(yīng)用中，注射標(biāo)簽的注射器可以包括活塞，其為彈簧加載以注射標(biāo)簽。在一些應(yīng)用中，可將氣體用于注射標(biāo)簽，應(yīng)用于注射聲學(xué)標(biāo)簽。對(duì)將注射型標(biāo)簽注射到宿主的首選位置不進(jìn)行限定。對(duì)于魚類，例如，可以將注射型標(biāo)簽在貼著身體的胸鰭的末梢處注射，例如距白線背大約2mm至3mm，纖維締結(jié)組織其低于腹部中線，其不包含主要神經(jīng)或者血管。但是，對(duì)注射位置無意進(jìn)行限定。在一些應(yīng)用中，聲學(xué)標(biāo)簽可以附于，例如人類宿主的衣服、無生命體、或者自驅(qū)動(dòng)式物體譬如機(jī)器人。對(duì)聲學(xué)標(biāo)簽附著方法不進(jìn)行限定。

雖然以當(dāng)前認(rèn)為最實(shí)際且首選的實(shí)施方式已對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但是在不偏離本發(fā)明的真正范圍以及更廣泛的方面下，可以進(jìn)行許多改變、修改、以及等同設(shè)置。因此，應(yīng)該對(duì)范圍給與關(guān)于所附權(quán)利要求的最廣的解釋。所附權(quán)利要求因此旨在覆蓋所有此類變化、修改、等同設(shè)置，以及落入本發(fā)明范圍的產(chǎn)品。無意進(jìn)行限定。