一种金属信道模型的构建方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及超声波通信技术领域，特别是指一种金属信道模型的构建方法及系 统。
【背景技术】
[0002] 目前，在工业控制和航空航天应用中，穿过金属障碍物进行信息传输的需要日益 频繁，例如，海军舰艇上部署的射频传感和控制网络必须跨多个防水舱壁后保持连通性。由 于电磁波在金属导体中传播时产生的趋肤效应，导致电磁波沿传播方向呈指数衰减，传播 距离极短，致使射频信号不能通过金属舱壁，因为舱壁的设计是密闭防水的，显然穿透它来 安装电线和电缆是不可取的，该就需要另一种方法将数据传递过去。
[0003] 超声波是一种能够绕过金属障碍物的机械波，振动频率与绕射现象是此长彼消的 关系，即频率越高绕射越不明显，因此可W认为超声波基本上是沿直线传播的。考虑到超声 波在弹性介质中良好的穿透性，能够远距离传输且衰减小，而且超声波的应用技术也已经 非常成熟，它已经被广泛的应用到工矿业、农业、和日常生活中，尤其在医学领域中有着不 容小勵的地位。
[0004] 在设计金属信道时需要权衡许多变量因素，例如，使用不同的压电材料，金属板和 禪合剂可W创建和配置许多不同的金属信道，对优化金属信道性能是非常有益的，但是同 时也非常昂贵且会耗费大量时间，还有当使用固体胶后元件的重新利用和金属信道的重新 配置都会非常困难，造成严重的浪费更加大了设计花费。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种金属信道模型的构建方法及系统，W解决现 有技术所存在的重新配置利用实际金属信道及设计花费大的问题。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种金属信道模型的构建方法，包括：
[0007] 根据发射端换能器及接收端换能器的频谱成高斯分布的特点，确定发射端换能 器-接收端换能器的时域数学模型hT_K(t);
[000引确定发射端禪合剂的传递函数k,(t)及接收端禪合剂的传递函数kc(t);
[0009] 根据金属介质的特征，确定超声波在金属介质中的时域衰减模型hm(t);
[0010] 根据金属信道中存在的回波脉冲及所述hT_K(t)、ki(t)、kc(t)和hm(t)，确定带回波 脉冲的金属信道的时域数学模型hmultipatha)。
[0011] 可选地，所述根据发射端换能器及接收端换能器的频谱成高斯分布的特点，确定 发射端换能器-接收端换能器的时域数学模型hT_E(t)包括：
[0012] 根据发射端换能器及接收端换能器的频谱成高斯分布的特点，确定所述发射端换 能器的频域表达式Ht(f)及所述接收端换能器的频域表达式咕(f)，f为频率；
[0013] 根据Ht讯及咕讯，确定发射端换能器-接收端换能器的频域表达式吊_6讯， HT_K(f) =Hi(f) ?咕(〇 ;
[0014] 将Ht_c讯从频域变换到时域，确定所述发射端换能器-接收端换能器的时域数学 模型hT_E(t)。
[0015] 可选地，所述确定发射端禪合剂的传递函数k,(t)及接收端禪合剂的传递函数 ku(t)包括；
[0016] 通过发射端禪合剂及接收端禪合剂影响不同介质的阻抗匹配程度；
[0017] 根据所述阻抗匹配程度，确定所述发射端禪合剂的传递函数k,(t)及所述接收端 禪合剂的传递函数kc(t)。
[001引可选地，所述根据金属介质的特征，确定超声波在金属介质中的时域衰减模型hm(t)包括；
[0019] 根据金属介质的特征，确定超声波在金属介质中每单位长度上的衰减A^;
[0020]
【主权项】
1. 一种金属信道模型的构建方法，其特征在于，包括： 根据发射端换能器及接收端换能器的频谱成高斯分布的特点，确定发射端换能器-接 收端换能器的时域数学模型hT_K(t); 确定发射端耦合剂的传递函数1^(〇及接收端耦合剂的传递函数kK(t); 根据金属介质的特征，确定超声波在金属介质中的时域衰减模型hm(t); 根据金属信道中存在的回波脉冲及所述hT_K(t)、kT(t)、k K(t)和匕⑴，确定带回波脉冲 的金属信道的时域数学模型hmultipath(t)。
2. 根据权利要求1所述的金属信道模型的构建方法，其特征在于，所述根据发射端换 能器及接收端换能器的频谱成高斯分布的特点，确定发射端换能器-接收端换能器的时域 数学模型h T_K(t)包括： 根据发射端换能器及接收端换能器的频谱成高斯分布的特点，确定所述发射端换能器 的频域表达式Ht (f)及所述接收端换能器的频域表达式Hk (f)，f为频率； 根据Ht (f)及Hk (f)，确定发射端换能器-接收端换能器的频域表达式HT_K (f)，HT_K (f) =Ht (f) · He (f)； 将HT_K (f)从频域变换到时域，确定所述发射端换能器-接收端换能器的时域数学模型 hj-g (t) 〇
3. 根据权利要求1所述的金属信道模型的构建方法，其特征在于，所述确定发射端耦 合剂的传递函数1^(〇及接收端耦合剂的传递函数k K(t)包括： 通过发射端耦合剂及接收端耦合剂影响不同介质的阻抗匹配程度； 根据所述阻抗匹配程度，确定所述发射端耦合剂的传递函数kT (t)及所述接收端耦合 剂的传递函数kK(t)。
4. 根据权利要求1所述的金属信道模型的构建方法，其特征在于，所述根据金属介质 的特征，确定超声波在金属介质中的时域衰减模型h m(t)包括： 根据金属介质的特征，确定超声波在金属介质中每单位长度上的衰减AdB:
其中，X是输入信号距离信号源为d的振幅大小，Xtl是原始输入信号振幅的大小； 引入超声波在金属介质中的纵向速度Cs，则输入信号的振幅X随时间的变化表不为 x(t)：
根据x(t)，确定超声波在金属介质中的时域衰减模型hm(t): K1(J) =e 20 。
5. 根据权利要求1所述的金属信道模型的构建方法，其特征在于，所述根据金属信道 中存在的回波脉冲及所述hT_ K(t)、kT(t)、kK(t)和匕⑴，确定带回波脉冲的金属信道的时域 数学模型hmultipath(t)包括： 根据所述hT_K(t)、kT(t)、kK(t)和h m(t)，确定整个金属信道的时域数学模型Iuamel (t)， hchannel(t) = hT_E(t) · kT(t) · hm(t) · kE(t)； 假设金属信道中存在的回波脉冲是主接收波脉冲的等比例缩放时延的结果，确定带回 波脉冲的金属信道的时域数学模型Iiniultipath(t): Multipath(t) = hchannel(t) · δ (t-n τ )e_nt, t ^ O 其中，n是金属信道的衰减参数，τ表示超声波在金属板中的往返时间，n为回波脉冲 个数。
6. -种金属信道模型的构建系统，其特征在于，包括： 换能器模型确定单元：用于根据发射端换能器及接收端换能器的频谱成高斯分布的特 点，确定发射端换能器-接收端换能器的时域数学模型hT_K(t); 親合剂函数确定单元：用于确定发射端親合剂的传递函数kT(t)及接收端親合剂的传 递函数kK(t); 衰减模型确定单元：用于根据金属介质的特征，确定超声波在金属介质中的时域衰减 模型hm⑴； 信道模型确定单元：用于根据金属信道中存在的回波脉冲及所述hT_K(t)、kT(t)、k K(t) 和hm(t)，确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型hmultipath(t)。
7. 根据权利要求6所述的金属信道模型的构建系统，其特征在于，所述换能器模型确 定单元包括： 第一确定模块：用于根据发射端换能器及接收端换能器的频谱成高斯分布的特点，确 定所述发射端换能器的频域表达式Ht (f)及所述接收端换能器的频域表达式Hk (f)，f为频 率； 第二确定模块：用于根据Ht (f)及Hk(f)，确定发射端换能器-接收端换能器的频域表 达式 HT_K(f)，HT_K(f) = HT(f) · HK(f); 换能器时域模型确定模块：用于将HT_K(f)从频域变换到时域，确定所述发射端换能 器-接收端换能器的时域数学模型hT_K(t)。
8. 根据权利要求6所述的金属信道模型的构建系统，其特征在于，所述耦合剂函数确 定单元包括： 阻抗匹配模块：用于通过发射端耦合剂及接收端耦合剂影响不同介质的阻抗匹配程 度； 耦合剂函数确定模块：用于根据所述阻抗匹配程度，确定所述发射端耦合剂的传递函 数1^(〇及所述接收端耦合剂的传递函数kK(t)。
9. 根据权利要求6所述的金属信道模型的构建系统，其特征在于，所述衰减模型确定 单元包括： 第三确定模块：用于根据金属介质的特征，确定超声波在金属介质中每单位长度上的 衰减AdB:
其中，X是输入信号距离信号源为d的振幅大小，Xtl是原始输入信号振幅的大小； 振幅确定模块：用于引入超声波在金属介质中的纵向速度cs，则输入信号的振幅X随 时间的变化表示为x(t): Λ-(/) = Λ-〇.β 20 衰减模型确定模块：用于根据X (t)，确定超声波在金属介质中的时域衰减模型hm(t): Kit) = e 2(,
10.根据权利要求6所述的金属信道模型的构建系统，其特征在于，所述信道模型确定 单元包括： 第四确定模块：用于根据所述hT_K(t)、kT(t)、kK(t)和h m(t)，确定整个金属信道的时域 数学模型 hchannel(t)，hch_el(t) = hT_K(t) · kT(t) · hn(t) · kK(t); 信道模型确定模块：用于假设金属信道中存在的回波脉冲是主接收波脉冲的等比例缩 放时延的结果，确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型hmultipath(t): Multipath(t) = hchannel(t) · δ (t-n τ )e_nt, t ^ 0 其中，n是金属信道的衰减参数，τ表示超声波在金属板中的往返时间，n为回波脉冲 个数。
【专利摘要】本发明提供一种金属信道模型的构建方法及系统，有助于预测信号在金属信道中的传输性能。所述方法包括：确定发射端换能器-接收端换能器的时域数学模型；确定发射端耦合剂的传递函数及接收端耦合剂的传递函数；确定超声波在金属介质中的时域衰减模型；确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型。所述系统包括：换能器模型确定单元，用于确定发射端换能器-接收端换能器的时域数学模型；耦合剂函数确定单元，用于确定发射端耦合剂的传递函数及接收端耦合剂的传递函数；衰减模型确定单元，用于确定超声波在金属介质中的时域衰减模型；信道模型确定单元：用于确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型。本发明适用于超声波通信技术领域。
【IPC分类】H04B17-391, H04B11-00
【公开号】CN104836629
【申请号】CN201510145537
【发明人】刘涛, 王中华
【申请人】北京科技大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年3月30日