一种金属信道模型的构建方法及系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术适用于超声波通信技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种金属信道模型的构建方法及系统
本专利技术涉及超声波通信
，特别是指一种金属信道模型的构建方法及系统。
技术介绍
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，这就需要另一种方法将数据传递过去。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，因此可以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觑的地位。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，金属板和耦合剂可以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。
技术实现思路
本专利技术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，以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。为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种金属信道模型的构建方法，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-R(t)；确定发射端耦合剂的传递函数kT(t)及接收端耦合剂的传递函数kR(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-R(t)、kT(t)、kR(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)。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-R(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HR(f)，f为频率；根据HT(f)及HR(f)，确定发射端换能器-接收端换能器的频域表达式HT-R(f)，HT-R(f)＝HT(f)·HR(f)；将HT-R(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-R(t)。可选地，所述确定发射端耦合剂的传递函数kT(t)及接收端耦合剂的传递函数kR(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kR(t)。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：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，x0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随时间的变化表示为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)：可选地，所述根据金属信道中存在的回波脉冲及所述hT-R(t)、kT(t)、kR(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)包括：根据所述hT-R(t)、kT(t)、kR(t)和hm(t)，确定整个金属信道的时域数学模型hchannel(t)，hchannel(t)＝hT-R(t)·kT(t)·hm(t)·kR(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hmultipath(t)：hmultipath(t)＝hchannel(t)·δ(t-nτ)e-ηt,t≥0其中，η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。另一方面，本专利技术实施例还提供一种金属信道模型的构建系统，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-R(t)；耦合剂函数确定单元：用于确定发射端耦合剂的传递函数kT(t)及接收端耦合剂的传递函数kR(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hm(t)；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-R(t)、kT(t)、kR(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)。可选地，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HR(f)，f为频率；第二确定模块：用于根据HT(f)及HR(f)，确定发射端换能器-接收端换能器的频域表达式HT-R(f)，HT-R(f)＝HT(f)·HR(f)；换能器时域模型确定模块：用于将HT-R(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-R(t)。可选地，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kT(t)及所述接收端耦合剂的传递函数kR(t)。可选地，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，x0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)：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)：可选地，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-R(t)、kT(t)、kR(t)和hm(t)，确定整个金属信道的时域数学模型hchannel(t)，hchannel(t)＝hT-R(t)·kT(t)·hm(t)·kR(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)：hmultipath(t)＝hchannel(t)·δ(t-nτ)e-ηt,t≥0其中，η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。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：上述方案中，通过确定发射端换能器-接收端换能器的时域数学模型hT-R(t)、发射端耦合剂的传递函数kT(t)及接收端耦合剂的传递函数kR(t)，并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)，再根据金属信道中存在的回波脉冲及所述hT-R(t)、kT(t)本文档来自技高网...

【技术保护点】
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‑R(t)；确定发射端耦合剂的传递函数kT(t)及接收端耦合剂的传递函数kR(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‑R(t)、kT(t)、kR(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)。

【技术特征摘要】
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-R(t)，t表示时间；确定发射端耦合剂的传递函数kT(t)及接收端耦合剂的传递函数kR(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-R(t)、kT(t)、kR(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)；其中，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-R(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HR(f)，f为频率；根据HT(f)及HR(f)，确定发射端换能器-接收端换能器的频域表达式HT-R(f)，其中，HT-R(f)表示为：其中，f为频率，fc为中心频率，当时，将HT-R(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-R(t)，其中，κ表示系数；所述确定发射端耦合剂的传递函数kT(t)及接收端耦合剂的传递函数kR(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kR(t)；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：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，x0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随时间的变化表示为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)：所述根据金属信道中存在的回波脉冲及所述hT-R(t)、kT(t)、kR(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)包括：根据所述hT-R(t)、kT(t)、kR(t)和hm(t)，确定整个金属信道的时域数学模型hchannel(t)，其中，所述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，在金属信道中体现为反射系数，所述发射端耦合剂的传递函数kT(t)为常数kT，接收端耦合剂的传递函数kR(t)为常数kR，κ表示系数，fc为中心频率，δ表示标准差；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)：其中，δ(t-nτ)表示脉冲响应函...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，王中华，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11