一種金屬信道模型的構(gòu)建方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及超聲波通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種金屬信道模型的構(gòu)建方法及系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在工業(yè)控制和航空航天應(yīng)用中，穿過金屬障礙物進行信息傳輸?shù)男枰找?頻繁，例如，海軍艦艇上部署的射頻傳感和控制網(wǎng)絡(luò)必須跨多個防水艙壁后保持連通性。由 于電磁波在金屬導(dǎo)體中傳播時產(chǎn)生的趨膚效應(yīng)，導(dǎo)致電磁波沿傳播方向呈指數(shù)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(shè)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(shù)據(jù)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(xiàn)象是此長彼消的 關(guān)系，即頻率越高繞射越不明顯，因此可W認(rèn)為超聲波基本上是沿直線傳播的?？紤]到超聲 波在彈性介質(zhì)中良好的穿透性，能夠遠(yuǎn)距離傳輸且衰減小，而且超聲波的應(yīng)用技術(shù)也已經(jīng) 非常成熟，它已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、和日常生活中，尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有著不 容小勵的地位。
[0004] 在設(shè)計金屬信道時需要權(quán)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(chuàng)建和配置許多不同的金屬信道，對優(yōu)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(dāng)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(yán)重的浪費更加大了設(shè)計花費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種金屬信道模型的構(gòu)建方法及系統(tǒng)，W解決現(xiàn) 有技術(shù)所存在的重新配置利用實際金屬信道及設(shè)計花費大的問題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施例提供一種金屬信道模型的構(gòu)建方法，包括：
[0007] 根據(jù)發(fā)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(fā)射端換能 器-接收端換能器的時域數(shù)學(xué)模型hT_K(t);
[000引確定發(fā)射端禪合劑的傳遞函數(shù)k,(t)及接收端禪合劑的傳遞函數(shù)kc(t);
[0009] 根據(jù)金屬介質(zhì)的特征，確定超聲波在金屬介質(zhì)中的時域衰減模型hm(t);
[0010] 根據(jù)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(shù)學(xué)模型hmultipatha)。
[0011] 可選地，所述根據(jù)發(fā)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(fā)射端換能器-接收端換能器的時域數(shù)學(xué)模型hT_E(t)包括：
[0012] 根據(jù)發(fā)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(fā)射端換 能器的頻域表達(dá)式Ht(f)及所述接收端換能器的頻域表達(dá)式咕(f)，f為頻率；
[0013] 根據(jù)Ht訊及咕訊，確定發(fā)射端換能器-接收端換能器的頻域表達(dá)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(fā)射端換能器-接收端換能器的時域數(shù)學(xué) 模型hT_E(t)。
[0015] 可選地，所述確定發(fā)射端禪合劑的傳遞函數(shù)k,(t)及接收端禪合劑的傳遞函數(shù) ku(t)包括；
[0016] 通過發(fā)射端禪合劑及接收端禪合劑影響不同介質(zhì)的阻抗匹配程度；
[0017] 根據(jù)所述阻抗匹配程度，確定所述發(fā)射端禪合劑的傳遞函數(shù)k,(t)及所述接收端 禪合劑的傳遞函數(shù)kc(t)。
[001引可選地，所述根據(jù)金屬介質(zhì)的特征，確定超聲波在金屬介質(zhì)中的時域衰減模型hm(t)包括；
[0019] 根據(jù)金屬介質(zhì)的特征，確定超聲波在金屬介質(zhì)中每單位長度上的衰減A^;
[0020]
【主權(quán)項】
1. 一種金屬信道模型的構(gòu)建方法，其特征在于，包括： 根據(jù)發(fā)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(fā)射端換能器-接 收端換能器的時域數(shù)學(xué)模型hT_K(t); 確定發(fā)射端耦合劑的傳遞函數(shù)1^(〇及接收端耦合劑的傳遞函數(shù)kK(t); 根據(jù)金屬介質(zhì)的特征，確定超聲波在金屬介質(zhì)中的時域衰減模型hm(t); 根據(jù)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(shù)學(xué)模型hmultipath(t)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬信道模型的構(gòu)建方法，其特征在于，所述根據(jù)發(fā)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(fā)射端換能器-接收端換能器的時域 數(shù)學(xué)模型h T_K(t)包括： 根據(jù)發(fā)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(fā)射端換能器 的頻域表達(dá)式Ht (f)及所述接收端換能器的頻域表達(dá)式Hk (f)，f為頻率； 根據(jù)Ht (f)及Hk (f)，確定發(fā)射端換能器-接收端換能器的頻域表達(dá)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(fā)射端換能器-接收端換能器的時域數(shù)學(xué)模型 hj-g (t) 〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬信道模型的構(gòu)建方法，其特征在于，所述確定發(fā)射端耦 合劑的傳遞函數(shù)1^(〇及接收端耦合劑的傳遞函數(shù)k K(t)包括： 通過發(fā)射端耦合劑及接收端耦合劑影響不同介質(zhì)的阻抗匹配程度； 根據(jù)所述阻抗匹配程度，確定所述發(fā)射端耦合劑的傳遞函數(shù)kT (t)及所述接收端耦合 劑的傳遞函數(shù)kK(t)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬信道模型的構(gòu)建方法，其特征在于，所述根據(jù)金屬介質(zhì) 的特征，確定超聲波在金屬介質(zhì)中的時域衰減模型h m(t)包括： 根據(jù)金屬介質(zhì)的特征，確定超聲波在金屬介質(zhì)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?。?引入超聲波在金屬介質(zhì)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(jù)x(t)，確定超聲波在金屬介質(zhì)中的時域衰減模型hm(t): K1(J) =e 20 。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬信道模型的構(gòu)建方法，其特征在于，所述根據(jù)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(shù)學(xué)模型hmultipath(t)包括： 根據(jù)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(shù)學(xué)模型Iuamel (t)， hchannel(t) = hT_E(t) · kT(t) · hm(t) · kE(t)； 假設(shè)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(jié)果，確定帶回 波脈沖的金屬信道的時域數(shù)學(xué)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(shù)，τ表示超聲波在金屬板中的往返時間，n為回波脈沖 個數(shù)。
6. -種金屬信道模型的構(gòu)建系統(tǒng)，其特征在于，包括： 換能器模型確定單元：用于根據(jù)發(fā)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(fā)射端換能器-接收端換能器的時域數(shù)學(xué)模型hT_K(t); 親合劑函數(shù)確定單元：用于確定發(fā)射端親合劑的傳遞函數(shù)kT(t)及接收端親合劑的傳 遞函數(shù)kK(t); 衰減模型確定單元：用于根據(jù)金屬介質(zhì)的特征，確定超聲波在金屬介質(zhì)中的時域衰減 模型hm⑴； 信道模型確定單元：用于根據(jù)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(shù)學(xué)模型hmultipath(t)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬信道模型的構(gòu)建系統(tǒng)，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(jù)發(fā)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(fā)射端換能器的頻域表達(dá)式Ht (f)及所述接收端換能器的頻域表達(dá)式Hk (f)，f為頻 率； 第二確定模塊：用于根據(jù)Ht (f)及Hk(f)，確定發(fā)射端換能器-接收端換能器的頻域表 達(dá)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(fā)射端換能 器-接收端換能器的時域數(shù)學(xué)模型hT_K(t)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬信道模型的構(gòu)建系統(tǒng)，其特征在于，所述耦合劑函數(shù)確 定單元包括： 阻抗匹配模塊：用于通過發(fā)射端耦合劑及接收端耦合劑影響不同介質(zhì)的阻抗匹配程 度； 耦合劑函數(shù)確定模塊：用于根據(jù)所述阻抗匹配程度，確定所述發(fā)射端耦合劑的傳遞函 數(shù)1^(〇及所述接收端耦合劑的傳遞函數(shù)kK(t)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬信道模型的構(gòu)建系統(tǒng)，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(jù)金屬介質(zhì)的特征，確定超聲波在金屬介質(zhì)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??； 振幅確定模塊：用于引入超聲波在金屬介質(zhì)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(jù)X (t)，確定超聲波在金屬介質(zhì)中的時域衰減模型hm(t): Kit) = e 2(,
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬信道模型的構(gòu)建系統(tǒng)，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(jù)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(shù)學(xué)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(shè)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(jié)果，確定帶回波脈沖的金屬信道的時域數(shù)學(xué)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(shù)，τ表示超聲波在金屬板中的往返時間，n為回波脈沖 個數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種金屬信道模型的構(gòu)建方法及系統(tǒng)，有助于預(yù)測信號在金屬信道中的傳輸性能。所述方法包括：確定發(fā)射端換能器-接收端換能器的時域數(shù)學(xué)模型；確定發(fā)射端耦合劑的傳遞函數(shù)及接收端耦合劑的傳遞函數(shù)；確定超聲波在金屬介質(zhì)中的時域衰減模型；確定帶回波脈沖的金屬信道的時域數(shù)學(xué)模型。所述系統(tǒng)包括：換能器模型確定單元，用于確定發(fā)射端換能器-接收端換能器的時域數(shù)學(xué)模型；耦合劑函數(shù)確定單元，用于確定發(fā)射端耦合劑的傳遞函數(shù)及接收端耦合劑的傳遞函數(shù)；衰減模型確定單元，用于確定超聲波在金屬介質(zhì)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(shù)學(xué)模型。本發(fā)明適用于超聲波通信技術(shù)領(lǐng)域。
【IPC分類】H04B17-391, H04B11-00
【公開號】CN104836629
【申請?zhí)枴緾N201510145537
【發(fā)明人】劉濤, 王中華
【申請人】北京科技大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年3月30日