账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
以模型化基础设计混合讯号多波束声纳系统
 

【作者: Jun Kuroda】2019年11月20日 星期三

浏览人次:【1311】
  

无人自主的水下载具的布署已经变得愈来愈常见,像是绘制海床地图、侦测沈没的物体、以及完成其他需要高解析度声纳系统的海底任务都可见到它们的身影。


为了开发多波束声纳系统(multibeam sonar system)来进行高解析度的声波成像(acoustic imaging),工程师必须整合声波转换器与其他的类比元件,以及数位讯号处理(digital signal processing,DSP)元件。


以前,类比和数位的设计流程是完全分开的:工程师使用以有限元素方法为基础的工具来设计转换器中的压电(piezoelectric)元件,并以讯号处理工具来设计数位元件。这种方式通常需要许多次的尝试错误叠代,增加了成本和前置时间。而且若是在没有完全了解类比元件的行为和特性的状况下便开始数位设计,结果是在类比设计定案之後,需要再大幅度地修正数位设计的机会大幅增加。



图1 : 多波束声纳系统模型的高层级示意图
图1 : 多波束声纳系统模型的高层级示意图

在NEC,我们采用MATLAB和Simulink的模型化基础设计(Model-Based Design)的这种新设计方法来设计多波束声纳系统。在这样的一个统一整合开发环境里面,我们可以建立与DSP元件一同运作的类比转换器以及音场的模型,并进行模拟(图1)。这样的方法让我们可以比以前更早优化整个系统设计、验证系统功能、以及在DSP与FPGA的原型调整叁数,然後按照进度来实现完整的系统。


音场与转换器建模

我们在MATLAB利用相位阵列系统工具箱(Phased Array System Toolbox)和符号运算工具箱(Symbolic Math Toolbox)建立了音场与声波换能器(transducer)的模型。音场是利用偏微分方程式来建模;换能器的行为模型则是透过依远场近似值进行空间快速傅立叶转换计算出来的两个转换函数来建立。我们首先计算声波发送到目标的速度潜力,再计算声波从目标反射回来的速度潜力(图2)。接下来,我们执行一个快速傅利叶反转换,并计算换能器发送与接收之间的时域脉冲响应。



图2 : 声波传送与其在目标和海床间的反射示意图
图2 : 声波传送与其在目标和海床间的反射示意图

我们的模型把几种自然现象考虑进来,包含目标和海床的反射系数、在水中被吸收掉的声音、水下杂讯、目标在海床上的声音阴影等等。为了在模型里调整波束形状,我们藉由超过100次的模拟,有系统地修改遮阳系数(shading coefficient)和换能器灵敏度,直到产生的声波影像与真实影像非常接近为止。


讯号处理元件的建模、模拟、和程式码生成

换能器与音场模型计算了换能器所接收的波形,并将资料作为一个讯号发送到在Simulink建模的DSP模拟器。这个模型从讯号处理工具箱(Signal Processing Toolbox)和DSP系统工具箱(DSP System Toolbox)呼叫函式来执行一连串可产生目标的声纳影像的讯号处理步骤,包含滤波和指向合成(图3)。



图3 : 位於海平面下50公尺、海床之上5公尺的10公尺 x 40公尺 x 5公尺椭圆体目标的声波图
图3 : 位於海平面下50公尺、海床之上5公尺的10公尺 x 40公尺 x 5公尺椭圆体目标的声波图

在Simulink藉由模拟验证过DSP设计之後,利用定点设计工具箱(Fixed-Point Designer)将设计之中的浮点元件转换为定点。接下来利用嵌入式程式码转码器产生适用於目标DSP的C程式码,并透过硬体描述语言转码器(HDL Coder)产生适用於Xilinx FPGA的HDL程式码,建立出一个原型系统。我们使用这个原型系统来进行硬体??圈测试,以验证我们的数位设计,并调整叁数来尽可能提升最终版本产品的精确度。


标准化模型化基础设计流程以进行其他专案

我们持续利用模型化基础设计来改善声纳系统设计,更广泛地将MATLAB和Simulink使用於其他NEC产品家族的设计,因为MATLAB与Simulink产品家族是唯一能提供整合的讯号处理演算法开发与音场分析、声纳设计的建模与模拟、以及自动产生嵌入式程式码,让设计能够实现在数位硬体的等这些任务的必要支援的工具。


(本文由??思科技提供;作者Jun Kuroda任职於NEC公司)


相关文章
强化学习:入门指南
以模型化基础设计流程开发测试AUTOSAR软体元件与复杂装置驱动
透过Simulink将模拟资料视觉化
如何利用数位分身进行预测性维护
利用数位分身即时预测钻油机的效能
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新闻
» NEC体验馆在2019台北金融科技展登场 聚焦生物辨识解决方案
» 罗德史瓦兹:5G垂直应用与资安挑战将是一大重要课题
» 西门子:串起数位制造价值链 软体服务将是关键
» EVG:人工智慧将带动各种异质系统的整合需求
» 先进制程挑战加剧 英特格协助台湾产业迎接挑战
  相关产品
» NEC为玉山银行提供ATM人脸辨识系统
» Hyperstone推出低功耗SSD控制器 X1支持可靠的3D闪存
» 是德科技全新 PathWave方案加速产品开发工作流程案
» Infortrend EonServ 7000系列机种:Milestone 认表现最隹的伺服器
» 技嘉推出新AORUS RGB系列机种

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw