無人自主的水下載具的布署已經(jīng)變得愈來愈常見，像是繪制海床地圖、偵測沉沒的物體、以及完成其他需要高解析度聲納系統(tǒng)的海底任務(wù)都可見到它們的身影。

為了開發(fā)多波束聲納系統(tǒng)（multibeam sonar system）來進(jìn)行高解析度的聲波成像（acoustic imaging），工程師必須整合聲波轉(zhuǎn)換器與其他的類比元件，以及數(shù)位訊號處理（digital signal processing，DSP）元件。

以前，類比和數(shù)位的設(shè)計(jì)流程是完全分開的：工程師使用以有限元素方法為基礎(chǔ)的工具來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器中的壓電（piezoelectric）元件，并以訊號處理工具來設(shè)計(jì)數(shù)位元件。這種方式通常需要許多次的嘗試錯(cuò)誤疊代，增加了成本和前置時(shí)間。而且若是在沒有完全了解類比元件的行為和特性的狀況下便開始數(shù)位設(shè)計(jì)，結(jié)果是在類比設(shè)計(jì)定案之后，需要再大幅度地修正數(shù)位設(shè)計(jì)的機(jī)會大幅增加。

圖1 : 多波束聲納系統(tǒng)模型的高層級示意圖

在NEC，我們采用MATLAB和Simulink的模型化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)（Model-Based Design）的這種新設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)多波束聲納系統(tǒng)。在這樣的一個(gè)統(tǒng)一整合開發(fā)環(huán)境里面，我們可以建立與DSP元件一同運(yùn)作的類比轉(zhuǎn)換器以及音場的模型，并進(jìn)行模擬（圖1）。這樣的方法讓我們可以比以前更早優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證系統(tǒng)功能、以及在DSP與FPGA的原型調(diào)整參數(shù)，然后按照進(jìn)度來實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)。

音場與轉(zhuǎn)換器建模

我們在MATLAB利用相位陣列系統(tǒng)工具箱（Phased Array System Toolbox）和符號運(yùn)算工具箱（Symbolic Math Toolbox）建立了音場與聲波換能器（transducer）的模型。音場是利用偏微分方程式來建模；換能器的行為模型則是透過依遠(yuǎn)場近似值進(jìn)行空間快速傅立葉轉(zhuǎn)換計(jì)算出來的兩個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)來建立。我們首先計(jì)算聲波發(fā)送到目標(biāo)的速度潛力，再計(jì)算聲波從目標(biāo)反射回來的速度潛力（圖2）。接下來，我們執(zhí)行一個(gè)快速傅利葉反轉(zhuǎn)換，并計(jì)算換能器發(fā)送與接收之間的時(shí)域脈沖響應(yīng)。

圖2 : 聲波傳送與其在目標(biāo)和海床間的反射示意圖

我們的模型把幾種自然現(xiàn)象考慮進(jìn)來，包含目標(biāo)和海床的反射系數(shù)、在水中被吸收掉的聲音、水下雜訊、目標(biāo)在海床上的聲音陰影等等。為了在模型里調(diào)整波束形狀，我們藉由超過100次的模擬，有系統(tǒng)地修改遮陽系數(shù)（shading coefficient）和換能器靈敏度，直到產(chǎn)生的聲波影像與真實(shí)影像非常接近為止。

訊號處理元件的建模、模擬、和程式碼生成

換能器與音場模型計(jì)算了換能器所接收的波形，并將資料作為一個(gè)訊號發(fā)送到在Simulink建模的DSP模擬器。這個(gè)模型從訊號處理工具箱（Signal Processing Toolbox）和DSP系統(tǒng)工具箱（DSP System Toolbox）呼叫函式來執(zhí)行一連串可產(chǎn)生目標(biāo)的聲納影像的訊號處理步驟，包含濾波和指向合成（圖3）。

圖3 : 位于海平面下50公尺、海床之上5公尺的10公尺 x 40公尺 x 5公尺橢圓體目標(biāo)的聲波圖

在Simulink藉由模擬驗(yàn)證過DSP設(shè)計(jì)之后，利用定點(diǎn)設(shè)計(jì)工具箱（Fixed-Point Designer）將設(shè)計(jì)之中的浮點(diǎn)元件轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)。接下來利用嵌入式程式碼轉(zhuǎn)碼器產(chǎn)生適用于目標(biāo)DSP的C程式碼，并透過硬體描述語言轉(zhuǎn)碼器（HDL Coder）產(chǎn)生適用于Xilinx FPGA的HDL程式碼，建立出一個(gè)原型系統(tǒng)。我們使用這個(gè)原型系統(tǒng)來進(jìn)行硬體回圈測試，以驗(yàn)證我們的數(shù)位設(shè)計(jì)，并調(diào)整參數(shù)來盡可能提升最終版本產(chǎn)品的精確度。

標(biāo)準(zhǔn)化模型化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)流程以進(jìn)行其他專案

我們持續(xù)利用模型化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)來改善聲納系統(tǒng)設(shè)計(jì)，更廣泛地將MATLAB和Simulink使用于其他NEC產(chǎn)品家族的設(shè)計(jì)，因?yàn)镸ATLAB與Simulink產(chǎn)品家族是唯一能提供整合的訊號處理演算法開發(fā)與音場分析、聲納設(shè)計(jì)的建模與模擬、以及自動產(chǎn)生嵌入式程式碼，讓設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)在數(shù)位硬體的等這些任務(wù)的必要支援的工具。

（本文由鈦思科技提供；作者Jun Kuroda任職于NEC公司）