基于模型设计的多波束声纳系统设计与实现

无人和自主水下航行器越来越多地被部署到海底测绘、探测水下物体，以及完成其他需要高分辨率声纳系统的水下任务。

为了开发用于高分辨率声学成像的多波束声纳系统，工程师必须将声学换能器和其他模拟组件与数字信号处理(DSP)组件集成在一起。在过去，模拟和数字设计是完全独立的过程:工程师使用基于有限元方法的工具设计传感器的压电元件，使用信号处理工具设计数字元件。这种方法通常需要大量的试错迭代，增加了成本和交付时间。此外，在没有完全理解模拟组件的行为和特性的情况下开始数字设计通常意味着一旦模拟部分完成，就需要大量的数字设计返工。

在NEC，我们实现了一种基于基于模型设计的多波束声纳系统的新设计方法^®和仿真软件^®．在单一的环境中，我们对模拟换能器和声场进行建模和模拟，它们在其中与DSP组件一起工作(图1)。这种方法使我们能够比以往任何时候都更早地优化整个系统设计，验证其功能并在DSP和FPGA原型上调整参数，并按时交付完整的系统。

声场和换能器的建模

我们在MATLAB中使用相控阵系统工具箱™和符号数学工具箱™对声场和声学换能器建模。声场采用偏微分方程建模;利用基于远场近似的空间快速傅里叶变换计算的两个传递函数对传感器的行为进行建模。我们首先计算了传输到目标的波的速度势，然后计算了从目标反射回来的波的速度势(图2)。接下来，我们进行了快速傅里叶逆变换，计算了换能器的发射机和接收机之间的时域脉冲响应。

我们的模型考虑了一些自然现象，包括目标和海床的反射系数、水中声音的吸收、水下噪声和目标在海床上的声阴影。为了微调我们模型中使用的波束模式，我们在超过100个模拟中系统地改变参数，包括阴影系数和换能器灵敏度，直到得到的声学图像与我们的理想图像非常接近。

信号处理组件的建模、仿真和代码生成

换能器和声场模型计算换能器接收到的波形，并将该数据作为信号发送到我们在Simulink中建模的DSP模拟器。该模型调用Signal Processing Toolbox™和DSP System Toolbox™中的函数来执行一系列信号处理步骤，包括滤波和方向性合成，生成目标的声纳图像(图3)。

在Simulink中通过仿真验证DSP设计后，我们使用定点设计器™将设计中的浮点元素转换为定点。然后我们使用嵌入式编码器创建了一个原型系统^®为目标DSP生成C代码，为Xilinx生成HDL代码^®FPGA。我们使用这个原型系统通过硬件在环测试来验证数字设计，微调参数以最大化最终生产版本的保真度。

基于模型的附加项目设计的标准化

我们继续使用基于模型的设计来改进我们的声纳系统设计，并且我们已经在其他NEC产品系列中更广泛地使用MATLAB和Simulink。MATLAB和Simulink是唯一的工具，为信号处理算法开发和声纳设计建模和仿真，以及在数字硬件上实现设计的嵌入式代码生成提供必要的支持。