Проектирование и реализация многолучевой сонарной системы с Model-Based Design

Автор статьи - Jun Kuroda, NEC.

Беспилотные и автономные подводные аппараты все чаще используются для картографирования морского дна, обнаружения подводных объектов и выполнения других подводных задач, для которых требуются гидролокаторы высокого разрешения.

Чтобы разработать многолучевую гидролокаторную систему для формирования акустических эхо-изображений с высоким разрешением, инженеры должны интегрировать акустические преобразователи и другие аналоговые компоненты с компонентами цифровой обработки сигналов (DSP, - далее ЦОС). В прошлом аналоговое и цифровое проектирование были полностью отдельными процессами: инженеры проектировали пьезоэлектрические элементы преобразователей с помощью инструментов, основанных на решении дифференциальных уравнений, а цифровые компоненты - с помощью инструментов обработки сигналов. Такой подход часто требовал многочисленных итераций методом проб и ошибок, что увеличивало затраты и время выполнения. Кроме того, начало цифрового проектирования без полного понимания поведения и характеристик аналоговых компонентов часто означало обширную переработку цифрового дизайна сразу после завершения аналоговой части.

В NEC мы реализовали новый подход к проектированию многолучевых сонарных систем, основанный на Model-Based Design (далее модельно-ориентированное проектирование) с MATLAB и Simulink. В единой среде мы собираем и моделируем аналоговые компоненты, такие как преобразователи и физические процессы, такие как аккустические эффекты (звуковое поле), в которой они работают вместе с цифровой чатью устройства (рис. 1). Такой подход позволяет нам оптимизировать всю конструкцию системы раньше, чем когда-либо прежде, проверять ее функциональность и настраивать параметры на прототипах сигнальных процессоров и FPGA (далее ПЛИС), а также завершать разработку и проектирование системы в соответствии с графиком.

Рисунок 1. Высокоуровневое представление модели многолучевой гидролокационной системы.

Моделирование звукового поля и преобразовательного элемента

Мы смоделировали звуковое поле и акустические преобразователи в MATLAB с помощью Phased Array System Toolbox TM и Symbolic Math Toolbox TM. Звуковое поле моделировалось с помощью уравнений в частных производных; Поведение преобразователей моделировалось с использованием двух передаточных функций, рассчитанных с использованием многомерного быстрого преобразования Фурье, основанного на приближении дальнего поля. Сначала мы рассчитали скорости волны, распространяющейся в сторону цели, а затем вычислили скорость волны, эхо сигнала (рисунок 2). Затем мы выполнили обратное быстрое преобразование Фурье и вычислили взаимокорреляционную функцию во временной области между передатчиком и приемником преобразователя.

Рисунок 2. Представление падающей и отраженной волны от цели и морского дна

Наши модели учитывали несколько природных явлений, включая коэффициенты отражения цели и морского дна, поглощение звука водой, подводный шум и акустическую тень цели на морском дне. Для точной настройки диаграмм направленности, используемых в нашей модели, мы систематически изменяли параметры, включая коэффициенты затенения и чувствительность преобразователя, в более чем 100 имитациях, пока полученное акустическое изображение не соответствовало нашему идеальному изображению.

Моделирование, симуляция и генерация кода под цифровые устройства

Модель преобразователя и звукового поля вычисляет форму волны, полученную преобразователем, и отправляет эти данные в виде сигнала в симулятор DSP, который мы смоделировали в Simulink. Эта модель вызывает функции из Signal Processing Toolbox TM и DSP System Toolbox TM для выполнения ряда этапов обработки сигнала, включая фильтрацию и синтез направленности, которые дают сонарное изображение цели (рис. 3).

Рисунок 3. Локационной изображение цели размером 10м x 40м x 5м элипсоидальной формы на расстоянии 50 м и глубиной 5 м

После проверки цифровой части проекта с помощью моделирования в Simulink, мы преобразовали элементы нашей модели с плавающей точкой в фиксированную точку с помощью Fixed-Point Designer TM. Затем мы создали прототип системы, используя Embedded Coder® для генерации кода C под нашу целевую DSP-платформу и HDL Coder TM для генерации HDL-кода под ПЛИС Xilinx®. Мы использовали эту систему-прототип для проверки цифрового части проекта с помощью аппаратных тестов, и точной настройки параметров для обеспечения максимальной точности в окончательной производственной версии.

Стандартизация модельно-ориентированного проектирования для следующих проектов

Мы продолжаем работать над улучшением наших сонарных систем с использованием модельно-ориентированного проектирования, и мы уже более широко используем MATLAB и Simulink в других семействах продуктов NEC. MATLAB и Simulink - единственные инструменты, которые обеспечивают необходимую поддержку для разработки алгоритмов обработки сигналов и анализа звукового поля, моделирования и тестирования проекта сонара, а также генерации встроенного кода для реализации проекта на цифровом оборудовании.