无人和自主水下航行器越来越多地被用于绘制海床地图、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。
为了开发多菱形声纳系统进行高分辨率声学成像，工程师必须将声音传感器和其他模拟组件与数字信号处理（DSP）组件集成。在过去，模拟和数字设计是完全独立的流程：工程师设计了基于有限元方法和具有信号处理工具的数字组件的工具的换能器的压电元件。这种方法通常需要许多试验和错误迭代，增加成本和交货时间。此外，在不完全理解模拟组件的行为和特性的情况下，启动数字设计通常意味着模拟部分最终确定的数字设计的广泛返工。
在NEC，我们已经实现了一种基于Matlab模型设计的多滨声纳系统的新设计方法®和模拟金宝app®．在一个环境中,我们模型和模拟声场的模拟传感器和DSP一起操作组件(图1)。这种方法使我们能够优化整个系统设计比以前早些时候,验证其功能和调优参数对DSP和FPGA原型,并按时交付完整的系统。
图1. NEC的MultiBeam Sonar系统模型的高级图。
建模声场和传感器
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进行建模。声场采用偏微分方程建模;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了建模。我们首先计算传输到目标的波的速度势，然后计算从目标反射回来的波的速度势(图2)。接下来，我们进行快速傅里叶反变换，计算换能器的发射器和接收器之间的时域脉冲响应。
图2.显示从目标和海底反射的透射波和波的图。
我们的模型考虑了几种自然现象，包括目标和海床的反射系数，水中的声音，水下噪声以及陆地上的靶的声学阴影。为了微调我们模型中使用的光束模式，我们系统地改变了在100多个模拟中的阴影系数和换能器灵敏度，直到得到的声学图像与我们理想的图像紧密匹配。
信号处理组件的建模，模拟和生成代码
换能器和声场模型计算在换能器处接收的波形，并将此数据作为我们在Simulink中建模的DSP模拟器发送信号。金宝app该模型调用信号处理工具箱™和DSP系统工具箱™的函数，执行一系列信号处理步骤，包括过滤和方向性合成，从而产生目标的声纳图像（图3）。
图3. 10米x 40m x 5m椭圆图位于表面下方50米的10m x 40m x 5m椭圆图，海底50米。
在Simulink中通过仿真验证DSP设计后，我们使用fixed -point Designer™将金宝app设计中的浮点元素转换为固定点元素。然后我们使用嵌入式编码器创建了一个原型系统®为我们的目标DSP生成C代码，并为Xilinx生成HDL代码®FPGA。我们使用该原型系统通过硬件循环测试验证数字设计，微调参数，以最大限度地提高最终生产版本的保真度。
对附加项目基于模型的设计进行标准化
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，我们已经在其他NEC产品系列中使用Matlab和Simulink更广泛地使用。金宝appMATLAB和SIMU金宝appLINK是唯一为SONAR设计的信号处理算法开发和声场分析，建模和仿真提供必要的支持工具，以及用于在金宝app数字硬件上实现设计的嵌入式代码生成。
