無人自主的水下載具的佈署已經變得愈來愈常見，像是繪製海床地圖、偵測沈沒的物體、以及完成其他需要高解析度聲納系統的海底任務都可見到它們的身影。

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

以前，類比和數位的設計流程是完全分開的：工程師使用以有限元素方法為基礎的工具來設計轉換器中的壓電（piezoelectric）元件，並以訊號處理工具來設計數位元件。這種方式通常需要許多次的嘗試錯誤疊代，增加了成本和前置時間。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位設計，結果是在類比設計定案之後，需要再大幅度地修正數位設計的機會大幅增加。

圖1 : 多波束聲納系統模型的高層級示意圖

在NEC，我們採用MATLAB和Simulink的模型化基礎設計（Model-Based Design）的這種新設計方法來設計多波束聲納系統。在這樣的一個統一整合開發環境裡面，我們可以建立與DSP元件一同運作的類比轉換器以及音場的模型，並進行模擬（圖1）。這樣的方法讓我們可以比以前更早優化整個系統設計、驗證系統功能、以及在DSP與FPGA的原型調整參數，然後按照進度來實現完整的系統。

音場與轉換器建模

我們在MATLAB利用相位陣列系統工具箱（Phased Array System Toolbox）和符號運算工具箱（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場近似值進行空間快速傅立葉轉換計算出來的兩個轉換函數來建立。我們首先計算聲波發送到目標的速度潛力，再計算聲波從目標反射回來的速度潛力（圖2）。接下來，我們執行一個快速傅利葉反轉換，並計算換能器發送與接收之間的時域脈衝響應。

圖2 : 聲波傳送與其在目標和海床間的反射示意圖

我們的模型把幾種自然現象考慮進來，包含目標和海床的反射係數、在水中被吸收掉的聲音、水下雜訊、目標在海床上的聲音陰影等等。為了在模型裡調整波束形狀，我們藉由超過100次的模擬，有系統地修改遮陽係數（shading coefficient）和換能器靈敏度，直到產生的聲波影像與真實影像非常接近為止。

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算了換能器所接收的波形，並將資料作為一個訊號發送到在Simulink建模的DSP模擬器。這個模型從訊號處理工具箱（Signal Processing Toolbox）和DSP系統工具箱（DSP System Toolbox）呼叫函式來執行一連串可產生目標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公尺橢圓體目標的聲波圖

在Simulink藉由模擬驗證過DSP設計之後，利用定點設計工具箱（Fixed-Point Designer）將設計之中的浮點元件轉換為定點。接下來利用嵌入式程式碼轉碼器產生適用於目標DSP的C程式碼，並透過硬體描述語言轉碼器（HDL Coder）產生適用於Xilinx FPGA的HDL程式碼，建立出一個原型系統。我們使用這個原型系統來進行硬體迴圈測試，以驗證我們的數位設計，並調整參數來盡可能提升最終版本產品的精確度。

標準化模型化基礎設計流程以進行其他專案

我們持續利用模型化基礎設計來改善聲納系統設計，更廣泛地將MATLAB和Simulink使用於其他NEC產品家族的設計，因為MATLAB與Simulink產品家族是唯一能提供整合的訊號處理演算法開發與音場分析、聲納設計的建模與模擬、以及自動產生嵌入式程式碼，讓設計能夠實現在數位硬體的等這些任務的必要支援的工具。

（本文由鈦思科技提供；作者Jun Kuroda任職於NEC公司）