一种基于pzt在固体结构中的多点通信系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于PZT在固体结构中的多点通信系统及方法，该系统包括：传感器、智能传感电路、声电换能器、信号处理系统。所述方法包括：通过固体结构介质发射探测信号；接收探测信号，并对接收到的探测信号进行时间反演处理和扩频处理；对时间反演后的信号进行载波调制，调制后的信号携带二进制信号信息；通过二进制信号激励所述传感器对应的PZT片，使PZT片产生应力波，并将应力波传输到接收端；接收端将接收到的信号进行载波解调，并将解调后的信号与所述传感器对应的伪扩频码进行相关解扩处理，获得传感器信号。本发明更好地解决固体介质中应力波传播时存在的频散、多路径及多模态问题，弥补分散从而达到同步信号检测。采用扩频技术实现多通道互不干扰的独立通信，能在固体介质多点通信中，大大提高抗噪声和抗干扰性的能力。
【专利说明】一种基于PZT在固体结构中的多点通信系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及信号检测和通信系统领域，尤其涉及一种面向固体介质基于PZT实现多点通信的系统及方法。
【背景技术】
[0002]现有固体结构基础设施的不断老化，对它们的可持续性监测是当前的最大挑战之一，尤其是管道结构、阀类结构和绞线结构等，没有直接的方法可用。因为故障的频繁发生，对它们进行连续检测评估并安排相应的维护活动是十分必要的。对长型固体结构连续监测需要部署多个传感器，一个传感器网络中数据通信可能发生在两个或多个传感器节点之间，也可能发生在传感器节点和一个中央处理器之间，所以迫切需要实现互不干扰的多点数据通信技术。
[0003]在经典的通信理论中，携带信息的信号经调制后由发射端激励发出，信号通过物理介质进行传播，如空气、水、或电缆，然后由一个接收端接收，接收到的信号经解调后，就可以恢复所传播的信息。例如，在无线通信系统中电磁信号常常作为载体进行数据传输。传输介质是空气。在水声通信，利用声学信号传输信息，传输介质是水。传输介质是空气。在水声通信，利用声学信号传输信息，传输介质是水。现有的结构健康检测传感器网络采用并改进传统方案，如无线电通信和声学通信进行数据通信。然而当运用到密封环境设备中时，如被埋在地下的管道、空心结构的水下海上平台和阀门类等机械结构，电磁波通信是难以实现，因为电磁波信号在土壤或水里传播会严重衰减，还存在电磁屏蔽的现象，所以导致传播距离非常短。由于弹性应力波宽带频率的可用性、不会有电磁屏蔽现象、容易识别和易于测量等优势，目前利用PZT产生弹性波在固体介质上进行传感信息通信具有广阔的应用
进旦
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[0004]中国专利102954893A公开了一种用于结构健康监测的纳米粒子墨水基压电传感器分布式网络的方法和系统。该系统包括针对结构健康待监测的结构，还包括被沉积在该结构上的纳米粒子墨水基的压电传感器组件的分布式网络，每个组件均包括多个纳米粒子墨水基的压电传感器以及用于互连多个传感器的多个导电墨水动力和通信电线组件。该方法还包括使用数据通信网络来经由来自于纳米粒子墨水基的压电传感器组件的一个或多个信号检索和处理结构的结构健康数据。此专利涉及了压电传感器的多点通信，但是没有基于CDMA技术实现多点通信。
[0005]中国专利102062747A本发明公开了一种基于压电陶瓷和小波包分析的钢管混凝土构件钢管壁剥离监测方法，属于钢管混凝土构件钢管壁剥离状况的监测领域。具体方法为:在钢管外壁上粘贴多个压电陶瓷传感器，在钢管混凝土内部埋入智能骨料，通过高频信号激励智能骨料，由高频信号采集系统采集钢管壁上传感器的输出信号并将该信号数据传至计算机分析系统；然后进行小波包分析，得出所定义的各传感器的能量指标:并选取所监测面最不易产生剥离损伤位置的能量指标代表无剥离损伤处的能量水平；最后定义一个损伤指标，对钢管壁各个传感器所在位置的粘结状态进行评估。此专利未涉及CDMA技术实现多点通信，也没有运用时间反演解决频散等问题。
[0006]上述的专利涉及到了压电传感器通信问题，均未解决固体介质中应力波传播时的频散、多路径及多模态问题。然而，在多传感器的固体结构中传感器节点的数量的增加和潜在的数据连接的频繁，现代应用程序通常需要更复杂的通信体系结构，即在相同的传输介质中同时实现多传感器通信。为了避免信号的干扰，迫切需要可以在同一个介质中把不同通道信号相区分的新方法。
【发明内容】
[0007]为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于PZT在固体结构中的多点通信系统和方法，通过该系统和方法更好地解决固体介质中应力波传播时存在的频散、多路径及多模态问题，从而达到多通道信号独立通信。提高了信号强度和通信系统的通用性，能够提供多种业务服务，具有更高的频率利用率以及抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力。
[0008]本发明的目的通过以下的技术方案来实现:
[0009]—种基于PZT在固体结构中的多点通信系统,包括:
[0010]传感器、智能传感电路、声电换能器、信号处理系统；所述
[0011]传感器，用于产生不同的数据类型，包括数字、文本和视频类型；
[0012]智能传感电路，用于嵌入所对应传感器的数据信号；
[0013]声电换能器，产生弹性应力波，用于传输所述不同的数据类型；
[0014]用于采集所述传感器的数据信号，并将采集的数据进行时间反演处理，对时间反演处理后的数据信号进行载波调制，所述调制后的信号携带二进制信号信息，最终在接收端获得对应传感器数据。
[0015]一种基于PZT在固体结构中实现多点通信方法，包括:
[0016]以固体结构作为介质发射探测信号；
[0017]接收探测信号，并对接收到的探测信号进行时间反演处理和扩频处理。所述扩频处理是:传感器的数据在固体结构中编码成为二进制信号，用不同伪扩展码展宽不同传感源数据信号的频谱。
[0018]对时间反演后的信号进行载波调制，调制后的信号携带二进制信号信息；
[0019]通过二进制信号激励所述传感器对应的PZT片，使PZT片产生应力波，并将应力波传输到接收端；
[0020]接收端将接收到的信号进行载波解调，并将解调后的信号与所述传感器对应的伪扩频码进行相关解扩处理，获得传感器信号。
[0021]与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点:
[0022]本发明是在固体结构中由多路PZT实时数据通信的方法及系统，即在固体结构中基于CDMA技术来实现多路传感器PZT数据的独立通信。创造性地提出对经信道探测后接收到的信号进行时间反演处理，经调制后再由发射端发出，利用声波的时间反转聚焦特性，可以提高信号强度，更好地解决了固体介质中应力波传播时存在的频散、多路径及多模态问题。采用扩频技术实现多通道互不干扰的独立通信，能在固体介质多点通信中，大大提高抗噪声和抗干扰性的能力。上述所述系统和方法可以应用在不同的长型固体结构中，如管道结构、阀门类结构、杆结构、板结构和绞线结构等。【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是在基于PZT的固体结构中(如管道等)的多路传感器集成系统结构示意图；
[0024]图2是基于PZT在固体结构中实现多点通信方法流程图；
[0025]图3是在固体结构用中基于CDMA技术实现多路传感器PZT数据通信框图；
[0026]图4是固体结构中多路传感器PZT数据通信的OQPSK调制和OQPSK相干解调框图；
[0027]图5是固体结构中多路传感器PZT数据通信的扩频和解扩技术框图。
【具体实施方式】
[0028]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
[0029]本发明中所提及的固体结构是一种可以传播应力波的介质。所述系统包括--传感器、智能传感电路、声电换能器、信号处理系统；所述传感器，用于产生不同的数据类型，包括数字、文本和视频类型；智能传感电路，用于嵌入所对应传感器的数据信号；声电换能器，产生弹性应力波，用于传输所述不同的数据类型；用于采集所述传感器的数据信号，并将采集的数据进行时间反演处理，对时间反演处理后的数据信号进行载波调制，所述调制后的信号携带二进制信号信息，最终在接收端获得对应传感器数据。如图1所示，传感器102安装在固体结构101中传感器，传感器可以是温度传感器、应变传感器、速度传感器、加速度传感器、图像传感器等相同或不同类型，所以可以产生不同的数据类型，包括数字、文本和视频类型。智能传感电路103，每个传感器都有与之对应的信号处理嵌入式电路；压电陶瓷片104和压电陶瓷片105既可以作为执行器也可以作为应力波传感器；接收装置106可以从压电陶瓷片105中接收到模拟信号，并把接收到的模拟信号转化为数字信号。计算机服务器和先进的信号处理系统可以处理数字信号从而获取每个传感器所携带的数据信肩、O
[0030]上述多址通信系统基于CDMA技术实现在固体结构中多通道数据的同步通信。能从一个传感点到具体另一个点的独立通信且互不干扰。能应用于不同类型固体结构中，如管道结构、阀门类结构、杆结构、板结构和绞线结构等。
[0031]上述的PZT可以作为执行器和传感器，执行器和传感器可以相互转换。通过声电换能器产生的弹性应力波可以传输不同的数据类型，包括数值型、文本型和视频类型等。
[0032]上述先进的信号处理系统包括对每个传感器的相应信号进行时间反演处理和扩频处理，它可以更好地解决固体介质中应力波传播时存在的频散、多路径及多模态问题。且上述的先进信号处理系统采用直接序列扩频通信技术模型，扩频技术大大提高了抗噪声和抗干扰性的能力，以实现多通道互不干扰的独立通信。先进信号处理系统采用偏移四相相移键控制(OQPSK)来实现多传感器信息调制。因为有许多共振频率，改变载波调制频率可以达到一个良好的解调效果。所述的扩频技术采用正交地址编码和准正交扩频码来区分不同传感器的数据通道，采用的扩频码为m代码，Gold码和M代码。所述的正交地址编码在固体介质通信中，应用不同 阶数的Walsh码可以满足不同信道的不同传输速率。
[0033]如图2所示本实施例还提供了一种基于PZT在固体结构中实现多点通信方法，该方法基于CDMA技术实现多路传感器PZT数据通信；所述方法包括:
[0034]步骤10通过固体结构介质发射探测信号；
[0035]步骤20接收探测信号，并对接收到的探测信号进行时间反演处理和扩频处理。所述扩频处理是:传感器的数据在固体结构中编码成为二进制信号，用不同伪扩展码展宽不同传感源数据信号的频谱。
[0036]步骤30对时间反演后的信号进行载波调制，调制后的信号携带二进制信号信息；
[0037]步骤40通过二进制信号激励所述传感器对应的PZT片，使PZT片产生应力波，并将应力波传输到接收端；
[0038]步骤50接收端将接收到的信号进行载波解调，并将解调后的信号与所述传感器对应的伪扩频码进行相关解扩处理，获得传感器信号。
[0039]如图3为固体结构用中基于CDMA技术实现多路传感器PZT数据通信框图，固体介质中应力波传播时存在的频散、多路径及多模态问题，所以本发明提出对经信道探测后接收到的信号进行时间反演处理，经调制后再由发射端发出，利用波的时间反转聚焦，可以提高信号强度，克服由于弹性波传播引起的严重信道频散、多路径及多模态问题。
[0040]首先由发射端的压电片202发射一个探测信号201，通过长状固体结构介质发送出去206。经信道响应后，接收端处的压电片203由于逆压电效应可以接收到信道探测后信号204。再对接收到的信号进行时间反演处理205。在固体结构中，所有传感器的数据207都被编码成为二进制信号208，然后用扩频码发生器产生的不同伪扩展码展宽不同传感源数据信号的频谱209。其中需事先根据固体结构中传感器个数，确定好扩频码类型。假设传感器个数为n，那么扩频码的个数也是n，而且是一一对应关系，也就是说一个传感器数据对应一个扩频码。接着对时间反演后的信号再进行载波调制210，调制后的信号携带着二进制信号信息208，放大后激励每个传感器对应的PZT片202[等同图1中的104]，PZT片在信号激励下产生应力波，并通过长状固体结构介质发送出去(206)，应力波在介质传输过程中一般均存在噪声和外部干扰等因素211。当应力波达到接收端时，应力波会使接收端的PZT片203[等同图1中的105]产生振动，由于逆压电效应，将产生对应的电信号。每个PZT片将接收到的信号进行载波解调212，并将解调后信号与每个传感器对应的伪扩频码进行相关解扩处理213。在此，需要保证扩频和解扩频之间的伪码同步214来保证较低的误码率。经过解调解扩频后，可恢复出原始基带二进制信号215，从而得到传感器信号216。
[0041]如图4所示，为多传感器PZT数据通信系统OQPSK(Offset Quadrature PhaseShift Keying)方法图，由OQPSK调制(204)和OQPSK相干解调(210)两大部分组成。本发明涉及到了处理多传感器实时PZT数据通信的方法。如果各个传感器的检测数据范围不大，如温度传感器的测量数据就可以用4个或8个二进制码表示，那么调制方法采用BPSK(Binary Phase Shift Keying)方法。然而各个传感器或其中一部分传感器的测量范围较大(如压力等)，则测量数据转成二进制序列后位数就比较长，那么需采用OQPSK方法。由于OQPSK是利用载波的四种不同相位来表征数字信息，每一种载波相位代表两个比特的信息，因此对于输入的传感器数据二进制数字序列应该先进行分组。将每两个比特编为一组，分别为00，01，10，11四种组合，然后分别用四种不同的载波相位来表征。
[0042]OQPSK的调制器可以看作是由两个BPSK调制器构成，输入的串行二进制信息序列经过串并联变换2041分成两路速率减半的序列，一个称为同向支路，即I支路；一个称正交支路，即Q支路。先在图中下支路信号(Q支路)偏移τ/22042，其中T为码元周期，由于两支路码元半周期的偏移，每次只有一路可能发生极性翻转，不会发生两支路码元极性同时翻转的现象。因此，OQPSK信号相位只能跳变0°、土90°，不会出现180°的相位跳变，这样OQPSK克服了 QPSK的180°的相位跳变。
[0043]电平发生器根据二进制序列分别产生双极性的二个电平信号Ut2043和Vt2044，其中Ut为同相分量，Vt为正交分量。然后通过载波产生器2045产生Coswt (称为同相载波)，一方面直接对同相支路信号进行调制；另一方面将载波经过相移η/2处理2046，得到Sinwt (称为正交载波)后对正交支路信号进行调制，并将同相支路和正交支路调制后的信号相加后即可得到OQPSK信号2047。
[0044]OQPSK解调器采用两个正交的载波信号实现相干解调。通过载波恢复电路2101，产生相干载波2102，分别将同相载波和正交载波提供给同相支路和正交支路的相关器，经过积分处理2103和2104，同时通过位定时恢复2105保证信号的同步。接着两路各自实施判决2106和2107，同相支路将得到的判决信号进行T/2偏移2108，最后与正交支路判决信号并串变换2109，从而恢复原来需要传输的传感器二进制数据信息。
[0045]图5为固体结构中多路传感器PZT数据通信的扩频和解扩技术框图。主要由扩频模块203和解扩频模块210组成，本发明将扩频理论引入多数据源应力波多通道通信中，利用序列正交性和准正交性来区分不同传感器数据源。在同频、同时的条件下，各个接收压电片根据不同信号码之间的差异分离出需要的信号。不同的传感器具体可包括数值、文本及视频等不同数据类型，本专利采用不同的伪随机序列作为扩频码来区分不同的数据类型。尽管伪随机序列具有良好的自相关特性，但其互相关特性不是很理想，因为互相关值不是处处为零。如果把伪随机序列同时用作扩频码和地址码，通信系统性能将受到很大影响。Walsh码作为地址码具有良好的自相关特性和处处为零的互相关特性。但是，Walsh码的各码组由于所占频谱带宽不同等原因，因而不能作为扩频码。所以将伪随机序列PN用作扩频码，而就地址码而言，本专利采用Walsh编码。
[0046]扩频模块203中每一个传感器数据源各单独占用一个信道2031，其中(S11(t)，Si2(t)? ***? Sln(t) ),..., (Sml(t), Sm2⑴,*** j Smn(t) )代表不同数据类型组。每组类型中各个信道分别与不同的Walsh序列码进行模2032。由于系统中不同传感器数据源各自所要传送的数据速率多种多样，且同阶的Walsh函数的数量有限，因此允许使用不同阶数的Walsh函数对不同速率的不同信道数据流进行调制。接着对每组中各个信号相加进行正交复用2033。然后每个数据类型组结合不同的扩频PN码进行信号扩频处理2034，将待传输信息信号的频谱扩展成为宽频带信号，这时传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽，大大加强了应力波传输过程中抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。扩频码可包括m码序列、Gold码序列和M码序列等。各信道信号通过扩频处理后叠加在一起，形成复合信号 S(t)2035。
[0047]在解扩频模块中211，先通过对应的PN码对每个数据类型组进行解扩频初步处理2111，然后每个数据类型组中各个接收信道与本身对应的Walsh码进行同步卷积2112，实现自相关解调2113，即可恢复各个信道发送的信号2114。
[0048]虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属【技术领域】内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
【权利要求】
1.一种基于PZT在固体结构中的多点通信系统，其特征在于，该系统包括:传感器、智能传感电路、声电换能器、信号处理系统；所述 传感器，用于产生不同的数据类型，包括数字、文本和视频类型； 智能传感电路，用于嵌入所对应传感器的数据信号； 声电换能器，产生弹性应力波，用于传输所述不同的数据类型； 信号处理系统，用于采集所述传感器的数据信号，并将采集的数据进行时间反演处理，对时间反演处理后的数据信号进行载波调制，所述调制后的信号携带二进制信号信息，最终在接收端获得对应传感器数据。
2.根据权利要求1所述的基于PZT在固体结构中的多点通信系统，其特征在于，所述信号处理系统采用直接序列扩频通信技术，及采用偏移四相相移键控调制来实现多传感器信息调制。
3.根据权利要求1所述的基于PZT在固体结构中的多点通信系统，其特征在于，所述扩频技术采用正交地址编码和准正交扩频码来区分不同传感器的数据通道。
4.根据权利要求3所述的基于PZT在固体结构中的多点通信系统，其特征在于，所述正交地址编码在固体介质多点通信中，应用不同阶数的Walsh码可以满足不同信道的不同传输速率。
5.一种基于PZT在固体结构中实现多点通信方法，其特征在于，所述方法基于CDMA技术实现多通道传感信息的同步互不干扰通信；所述方法包括: 以固体结构作为介质发射探测信号； 接收探测信号，并对接收到的探测信号进行时间反演处理和扩频处理。
6.根据权利要求5所述的基于PZT在固体结构中实现多点通信方法，其特征在于，所述扩频处理是:传感器的数据在固体结构中编码成为二进制信号，用不同伪扩展码展宽不同传感源数据信号的频谱。
7.根据权利要求5或6所述的基于PZT在固体结构中实现多点通信方法，其特征在于，所述方法还包括: 对时间反演后的信号进行载波调制，调制后的信号携带二进制信号信息； 通过二进制信号激励所述传感器对应的PZT片，使PZT片产生应力波，并将应力波传输到接收端； 接收端将接收到的信号进行载波解调，并将解调后的信号与所述传感器对应的伪扩频码进行相关解扩处理，获得传感器信号。
8.根据权利要求7所述的基于PZT在固体结构中实现多点通信方法，其特征在于，所述每个传感器对应有一个相应的扩频码。
【文档编号】H04B1/7107GK103763002SQ201410038332
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】洪晓斌, 黄景晓, 刘桂雄, 宋刚兵 申请人:华南理工大学