一種金屬信道模型的構建方法及系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及超聲波通信技術領域，特別是指一種金屬信道模型的構建方法及系 統。
【背景技術】
[0002] 目前，在工業控制和航空航天應用中，穿過金屬障礙物進行信息傳輸的需要日益 頻繁，例如，海軍艦艇上部署的射頻傳感和控制網絡必須跨多個防水艙壁后保持連通性。由 于電磁波在金屬導體中傳播時產生的趨膚效應，導致電磁波沿傳播方向呈指數衰減，傳播 距離極短，致使射頻信號不能通過金屬艙壁，因為艙壁的設計是密閉防水的，顯然穿透它來 安裝電線和電纜是不可取的，該就需要另一種方法將數據傳遞過去。
[0003] 超聲波是一種能夠繞過金屬障礙物的機械波，振動頻率與繞射現象是此長彼消的 關系，即頻率越高繞射越不明顯，因此可W認為超聲波基本上是沿直線傳播的。考慮到超聲 波在彈性介質中良好的穿透性，能夠遠距離傳輸且衰減小，而且超聲波的應用技術也已經 非常成熟，它已經被廣泛的應用到工礦業、農業、和日常生活中，尤其在醫學領域中有著不 容小勵的地位。
[0004] 在設計金屬信道時需要權衡許多變量因素，例如，使用不同的壓電材料，金屬板和 禪合劑可W創建和配置許多不同的金屬信道，對優化金屬信道性能是非常有益的，但是同 時也非常昂貴且會耗費大量時間，還有當使用固體膠后元件的重新利用和金屬信道的重新 配置都會非常困難，造成嚴重的浪費更加大了設計花費。

【發明內容】

[0005] 本發明要解決的技術問題是提供一種金屬信道模型的構建方法及系統，W解決現 有技術所存在的重新配置利用實際金屬信道及設計花費大的問題。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明實施例提供一種金屬信道模型的構建方法，包括：
[0007] 根據發射端換能器及接收端換能器的頻譜成高斯分布的特點，確定發射端換能 器-接收端換能器的時域數學模型hT_K(t);
[000引確定發射端禪合劑的傳遞函數k,(t)及接收端禪合劑的傳遞函數kc(t);
[0009] 根據金屬介質的特征，確定超聲波在金屬介質中的時域衰減模型hm(t);
[0010] 根據金屬信道中存在的回波脈沖及所述hT_K(t)、ki(t)、kc(t)和hm(t)，確定帶回波 脈沖的金屬信道的時域數學模型hmultipatha)。
[0011] 可選地，所述根據發射端換能器及接收端換能器的頻譜成高斯分布的特點，確定 發射端換能器-接收端換能器的時域數學模型hT_E(t)包括：
[0012] 根據發射端換能器及接收端換能器的頻譜成高斯分布的特點，確定所述發射端換 能器的頻域表達式Ht(f)及所述接收端換能器的頻域表達式咕(f)，f為頻率；
[0013] 根據Ht訊及咕訊，確定發射端換能器-接收端換能器的頻域表達式吊_6訊， HT_K(f) =Hi(f) ?咕(〇 ;
[0014] 將Ht_c訊從頻域變換到時域，確定所述發射端換能器-接收端換能器的時域數學 模型hT_E(t)。
[0015] 可選地，所述確定發射端禪合劑的傳遞函數k,(t)及接收端禪合劑的傳遞函數 ku(t)包括；
[0016] 通過發射端禪合劑及接收端禪合劑影響不同介質的阻抗匹配程度；
[0017] 根據所述阻抗匹配程度，確定所述發射端禪合劑的傳遞函數k,(t)及所述接收端 禪合劑的傳遞函數kc(t)。
[001引可選地，所述根據金屬介質的特征，確定超聲波在金屬介質中的時域衰減模型hm(t)包括；
[0019] 根據金屬介質的特征，確定超聲波在金屬介質中每單位長度上的衰減A^;
[0020]
【主權項】
1. 一種金屬信道模型的構建方法，其特征在于，包括： 根據發射端換能器及接收端換能器的頻譜成高斯分布的特點，確定發射端換能器-接 收端換能器的時域數學模型hT_K(t); 確定發射端耦合劑的傳遞函數1^(〇及接收端耦合劑的傳遞函數kK(t); 根據金屬介質的特征，確定超聲波在金屬介質中的時域衰減模型hm(t); 根據金屬信道中存在的回波脈沖及所述hT_K(t)、kT(t)、k K(t)和匕⑴，確定帶回波脈沖 的金屬信道的時域數學模型hmultipath(t)。
2. 根據權利要求1所述的金屬信道模型的構建方法，其特征在于，所述根據發射端換 能器及接收端換能器的頻譜成高斯分布的特點，確定發射端換能器-接收端換能器的時域 數學模型h T_K(t)包括： 根據發射端換能器及接收端換能器的頻譜成高斯分布的特點，確定所述發射端換能器 的頻域表達式Ht (f)及所述接收端換能器的頻域表達式Hk (f)，f為頻率； 根據Ht (f)及Hk (f)，確定發射端換能器-接收端換能器的頻域表達式HT_K (f)，HT_K (f) =Ht (f) · He (f)； 將HT_K (f)從頻域變換到時域，確定所述發射端換能器-接收端換能器的時域數學模型 hj-g (t) 〇
3. 根據權利要求1所述的金屬信道模型的構建方法，其特征在于，所述確定發射端耦 合劑的傳遞函數1^(〇及接收端耦合劑的傳遞函數k K(t)包括： 通過發射端耦合劑及接收端耦合劑影響不同介質的阻抗匹配程度； 根據所述阻抗匹配程度，確定所述發射端耦合劑的傳遞函數kT (t)及所述接收端耦合 劑的傳遞函數kK(t)。
4. 根據權利要求1所述的金屬信道模型的構建方法，其特征在于，所述根據金屬介質 的特征，確定超聲波在金屬介質中的時域衰減模型h m(t)包括： 根據金屬介質的特征，確定超聲波在金屬介質中每單位長度上的衰減AdB:
其中，X是輸入信號距離信號源為d的振幅大小，Xtl是原始輸入信號振幅的大小； 引入超聲波在金屬介質中的縱向速度Cs，則輸入信號的振幅X隨時間的變化表不為 x(t)：
根據x(t)，確定超聲波在金屬介質中的時域衰減模型hm(t): K1(J) =e 20 。
5. 根據權利要求1所述的金屬信道模型的構建方法，其特征在于，所述根據金屬信道 中存在的回波脈沖及所述hT_ K(t)、kT(t)、kK(t)和匕⑴，確定帶回波脈沖的金屬信道的時域 數學模型hmultipath(t)包括： 根據所述hT_K(t)、kT(t)、kK(t)和h m(t)，確定整個金屬信道的時域數學模型Iuamel (t)， hchannel(t) = hT_E(t) · kT(t) · hm(t) · kE(t)； 假設金屬信道中存在的回波脈沖是主接收波脈沖的等比例縮放時延的結果，確定帶回 波脈沖的金屬信道的時域數學模型Iiniultipath(t): Multipath(t) = hchannel(t) · δ (t-n τ )e_nt, t ^ O 其中，n是金屬信道的衰減參數，τ表示超聲波在金屬板中的往返時間，n為回波脈沖 個數。
6. -種金屬信道模型的構建系統，其特征在于，包括： 換能器模型確定單元：用于根據發射端換能器及接收端換能器的頻譜成高斯分布的特 點，確定發射端換能器-接收端換能器的時域數學模型hT_K(t); 親合劑函數確定單元：用于確定發射端親合劑的傳遞函數kT(t)及接收端親合劑的傳 遞函數kK(t); 衰減模型確定單元：用于根據金屬介質的特征，確定超聲波在金屬介質中的時域衰減 模型hm⑴； 信道模型確定單元：用于根據金屬信道中存在的回波脈沖及所述hT_K(t)、kT(t)、k K(t) 和hm(t)，確定帶回波脈沖的金屬信道的時域數學模型hmultipath(t)。
7. 根據權利要求6所述的金屬信道模型的構建系統，其特征在于，所述換能器模型確 定單元包括： 第一確定模塊：用于根據發射端換能器及接收端換能器的頻譜成高斯分布的特點，確 定所述發射端換能器的頻域表達式Ht (f)及所述接收端換能器的頻域表達式Hk (f)，f為頻 率； 第二確定模塊：用于根據Ht (f)及Hk(f)，確定發射端換能器-接收端換能器的頻域表 達式 HT_K(f)，HT_K(f) = HT(f) · HK(f); 換能器時域模型確定模塊：用于將HT_K(f)從頻域變換到時域，確定所述發射端換能 器-接收端換能器的時域數學模型hT_K(t)。
8. 根據權利要求6所述的金屬信道模型的構建系統，其特征在于，所述耦合劑函數確 定單元包括： 阻抗匹配模塊：用于通過發射端耦合劑及接收端耦合劑影響不同介質的阻抗匹配程 度； 耦合劑函數確定模塊：用于根據所述阻抗匹配程度，確定所述發射端耦合劑的傳遞函 數1^(〇及所述接收端耦合劑的傳遞函數kK(t)。
9. 根據權利要求6所述的金屬信道模型的構建系統，其特征在于，所述衰減模型確定 單元包括： 第三確定模塊：用于根據金屬介質的特征，確定超聲波在金屬介質中每單位長度上的 衰減AdB:
其中，X是輸入信號距離信號源為d的振幅大小，Xtl是原始輸入信號振幅的大小； 振幅確定模塊：用于引入超聲波在金屬介質中的縱向速度cs，則輸入信號的振幅X隨 時間的變化表示為x(t): Λ-(/) = Λ-〇.β 20 衰減模型確定模塊：用于根據X (t)，確定超聲波在金屬介質中的時域衰減模型hm(t): Kit) = e 2(,
10.根據權利要求6所述的金屬信道模型的構建系統，其特征在于，所述信道模型確定 單元包括： 第四確定模塊：用于根據所述hT_K(t)、kT(t)、kK(t)和h m(t)，確定整個金屬信道的時域 數學模型 hchannel(t)，hch_el(t) = hT_K(t) · kT(t) · hn(t) · kK(t); 信道模型確定模塊：用于假設金屬信道中存在的回波脈沖是主接收波脈沖的等比例縮 放時延的結果，確定帶回波脈沖的金屬信道的時域數學模型hmultipath(t): Multipath(t) = hchannel(t) · δ (t-n τ )e_nt, t ^ 0 其中，n是金屬信道的衰減參數，τ表示超聲波在金屬板中的往返時間，n為回波脈沖 個數。
【專利摘要】本發明提供一種金屬信道模型的構建方法及系統，有助于預測信號在金屬信道中的傳輸性能。所述方法包括：確定發射端換能器-接收端換能器的時域數學模型；確定發射端耦合劑的傳遞函數及接收端耦合劑的傳遞函數；確定超聲波在金屬介質中的時域衰減模型；確定帶回波脈沖的金屬信道的時域數學模型。所述系統包括：換能器模型確定單元，用于確定發射端換能器-接收端換能器的時域數學模型；耦合劑函數確定單元，用于確定發射端耦合劑的傳遞函數及接收端耦合劑的傳遞函數；衰減模型確定單元，用于確定超聲波在金屬介質中的時域衰減模型；信道模型確定單元：用于確定帶回波脈沖的金屬信道的時域數學模型。本發明適用于超聲波通信技術領域。
【IPC分類】H04B17-391, H04B11-00
【公開號】CN104836629
【申請號】CN201510145537
【發明人】劉濤, 王中華
【申請人】北京科技大學
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年3月30日