设计和实现多波束声纳系统与基于模型的设计
小君黑田,NEC
无人和智能水下机器人越来越被部署地图海床,海底探测水下物体,并完成其他任务,需要高分辨率的声纳系统。
开发高分辨率声波成像的多波束声纳系统,工程师必须集成声传感器和其他模拟与数字信号处理(DSP)组件的组件。在过去,模拟和数字设计完全是独立的进程:工程师设计了压电传感器的元素与工具基于有限元方法和数字信号处理工具组件。这种方法通常需要大量的反复试验迭代,增加成本和交货期。此外,启动数字设计没有完全理解的行为和特征模拟组件通常意味着大量的返工数字设计一旦模拟部分完成。
在NEC,我们实现了一个新的基于基于模型的设计方法对多波束声纳系统设计与MATLAB®和仿真软金宝app件®。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,并提供完整的系统。
图1所示。高级图NEC的多波束声纳系统模型。
对声场建模和传感器
我们建模的声场和声学换能器与相控阵系统MATLAB工具箱™和符号数学工具箱™。声场建模使用偏微分方程;传感器的行为是使用两个传递函数建模使用空间快速傅里叶变换计算基于远场近似。我们首先计算的速度势波传播到目标,然后计算了速度势波反射回来的目标(图2)。接下来,我们执行一个快速傅里叶逆变换和计算时域脉冲响应传感器的发射机和接收机之间。
图2。图显示传播波和波反射的目标和海底。
我们的模型考虑了一些自然现象,包括目标的反射系数和海底,声音的吸收水,水下噪音,和目标的声影的海床上。来调整光束模式中使用我们的模型,我们系统各种参数包括遮阳系数和传感器灵敏度100多个模拟,直到产生的声像密切匹配我们的理想形象。
建模、模拟和信号处理组件的生成代码
传感器和声场模型计算在传感器接收到的波形并发送这些数据作为DSP信号模拟器,我们在仿真软件建模。金宝app该模型从信号处理工具箱™和DSP系统调用函数工具箱™执行一系列信号处理步骤,包括过滤和方向性的合成,产生的声纳图像目标(图3)。
图3。超音波的10 m x 40 m x 5 m椭球目标位于50米和5米海底。
在仿真软件验证DSP设计通过模拟之后,我们转换浮点元素设计到定点使用定点设计师™。金宝app然后,我们创建了一个原型系统,利用嵌入式编码器®为我们的目标DSP生成C代码和HDL编码器™Xilinx生成HDL代码®FPGA。我们使用此原型系统验证数字设计通过半实物测试,微调参数最大化富达在最后生产版本。
为额外的项目标准化基于模型的设计
我们继续努力改善声纳系统设计使用基于模型的设计,并使用MATLAB和Simulink我们已经更广泛的在其他电气产品的家庭。金宝appMATLAB和Simu金宝applink是唯一的工具,为信号处理算法的发展提供必要的支持和声场分析,声纳设计的建模和仿真,实现设计和金宝app嵌入式代码生成数字硬件。
2018年出版的
