CN104836629A - 一种金属信道模型的构建方法及系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种金属信道模型的构建方法及系统

技术领域

本发明涉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

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。

发明内容

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，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，本发明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h_T-R(t)；

确定发射端耦合剂的传递函数k_T(t)及接收端耦合剂的传递函数k_R(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h_m(t)；

根据金属信道中存在的回波脉冲及所述h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型h_multipath(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h_T-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H_T(f)及所述接收端换能器的频域表达式H_R(f)，f为频率；

根据H_T(f)及H_R(f)，确定发射端换能器-接收端换能器的频域表达式H_T-R(f)，H_T-R(f)＝H_T(f)·H_R(f)；

将H_T-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h_T-R(t)。

可选地，所述确定发射端耦合剂的传递函数k_T(t)及接收端耦合剂的传递函数k_R(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k_T(t)及所述接收端耦合剂的传递函数k_R(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A_dB：

$A_{\mathrm{dB}}=\frac{-20\·{\mathrm{LOG}}_{10}\left(\frac{x}{x_0}\right)}{d},d\≠0$

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c_s，则输入信号的振幅x随时间的变化表示为x(t)：

$x\left(t\right)=x_0\·e^{-\frac{A_{\mathrm{dB}}\·c_s\·d\·\ln \left(10\right)}{20}t}$

根据x(t)，确定超声波在金属介质中的时域衰减模型h_m(t)：

$h_m\left(t\right)=e^{-\frac{A_{\mathrm{dB}}\·c_s\·d\·\ln \left(10\right)}{20}t}$

可选地，所述根据金属信道中存在的回波脉冲及所述h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型h_multipath(t)包括：

根据所述h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定整个金属信道的时域数学模型h_channel(t)，h_channel(t)＝h_T-R(t)·k_T(t)·h_m(t)·k_R(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h_multipath(t)：

h_multipath(t)＝h_channel(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，本发明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h_T-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k_T(t)及接收端耦合剂的传递函数k_R(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h_m(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h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型h_multipath(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H_T(f)及所述接收端换能器的频域表达式H_R(f)，f为频率；

第二确定模块：用于根据H_T(f)及H_R(f)，确定发射端换能器-接收端换能器的频域表达式H_T-R(f)，H_T-R(f)＝H_T(f)·H_R(f)；

换能器时域模型确定模块：用于将H_T-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h_T-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k_T(t)及所述接收端耦合剂的传递函数k_R(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A_dB：

$A_{\mathrm{dB}}=\frac{-20\·{\mathrm{LOG}}_{10}\left(\frac{x}{x_0}\right)}{d},d\≠0$

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c_s，则输入信号的振幅x随时间的变化表示为x(t)：

$x\left(t\right)=x_0\·e^{-\frac{A_{\mathrm{dB}}\·c_s\·d\·\ln \left(10\right)}{20}t}$

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h_m(t)：

$h_m\left(t\right)=e^{-\frac{A_{\mathrm{dB}}\·c_s\·d\·\ln \left(10\right)}{20}t}$

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h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定整个金属信道的时域数学模型h_channel(t)，h_channel(t)＝h_T-R(t)·k_T(t)·h_m(t)·k_R(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h_multipath(t)：

h_multipath(t)＝h_channel(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。

本发明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h_T-R(t)、发射端耦合剂的传递函数k_T(t)及接收端耦合剂的传递函数k_R(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h_m(t)，再根据金属信道中存在的回波脉冲及所述h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型h_multipath(t)。这样，通过发射端换能器将输入信号转换为超声波，并利用超声波的超强穿透性而不是射频穿过所述金属信道，并建立实际金属信道的数学模型h_multipath(t)来仿真实际金属信道的特点，从而反映实际金属信道中输入信号与输出信号之间的关系，有助于预测所述输入信号在实际金属信道中的传输性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的金属信道模型图；

图2为实际金属信道输出图；

图3为本发明实施例提供的构建的金属信道模型输出图；

图4为本发明实施例提供的金属信道模型的构建系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的重新配置利用实际金属信道及设计花费大的问题，提供一种金属信道模型的构建方法及系统。

实施例一

本发明实施例提供的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h_T-R(t)；

确定发射端耦合剂的传递函数k_T(t)及接收端耦合剂的传递函数k_R(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h_m(t)；

根据金属信道中存在的回波脉冲及所述h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型h_multipath(t)。

本发明实施例所述的金属信道模型的构建方法，通过确定发射端换能器-接收端换能器的时域数学模型h_T-R(t)、发射端耦合剂的传递函数k_T(t)及接收端耦合剂的传递函数k_R(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h_m(t)，再根据金属信道中存在的回波脉冲及所述h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型h_multipath(t)。这样，通过发射端换能器将输入信号转换为超声波，并利用超声波的超强穿透性而不是射频穿过所述金属信道，并建立实际金属信道的数学模型h_multipath(t)来仿真实际金属信道的特点，从而反映实际金属信道中输入信号与输出信号之间的关系，有助于预测所述输入信号在实际金属信道中的传输性能。

在前述金属信道模型的构建方法的具体实施方式中，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h_T-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H_T(f)及所述接收端换能器的频域表达式H_R(f)，f为频率；

根据H_T(f)及H_R(f)，确定发射端换能器-接收端换能器的频域表达式H_T-R(f)，H_T-R(f)＝H_T(f)·H_R(f)；

将H_T-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h_T-R(t)。

参看图1所示，本发明实施例中，所述金属信道包括发射端换能器1、发射端耦合剂2、金属板3、接收端耦合剂4、接收端换能器5五个部分组成。金属板可以看作是各项同性的弹性介质，它是超声波的主要传输信道。

本发明实施例中，例如，可以利用白箱建模的原理建立带回波脉冲的金属信道的时域数学模型，因此，所述金属信道可以只考虑超声波沿视距路径(LineOf Sight，LOS)传输，即：所述金属信道为LOS信道，LOS信道可以看作是输入信号通过金属信道的五个部分的传递函数的级联：发射端换能器的传递函数h_T(t)，发射端耦合剂的传递函数k_T(t)、金属板的传递函数h_m(t)、接收端耦合剂的的传递函数k_R(t)和接收端换能器的传递函数h_R(t)，在时域中这几个传递函数的卷积可以很好地描述所述LOS信道，参看式(1)所示：

h(t)＝h_T(t)*k_T(t)*h_m(t)*k_R(t)*h_R(t)   式(1)

本发明实施例中，例如，所述发射端换能器及接收端换能器可以为压电超声波换能器，所述压电超声波换能器是典型的谐振在其中心频率的换能器，因此可以认为它的频谱类似于一个可实现的带通滤波器，且所述发射端换能器与接收端换能器成轴对称安装在所述金属板两侧，所述发射端换能器与接收端换能器的频谱理想为高斯分布，所述发射端换能器的频域表达式H_T(f)及所述接收端换能器的频域表达式H_R(f)由式(2)计算：

$H_T\left(f\right)=H_R\left(f\right)=\mathrm{\&beta;}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&delta;}}{e}^{\frac{-{(f-f_c)}^2}{2{\mathrm{\&delta;}}^2}},-\&infin;<f<+\&infin;$    式(2)

式(2)中，f为频率，β为任意常数，以确保理想换能器的传递函数在其中心频率应具有单位增益，f_c为中心频率。

本发明实施例中，对于整个LOS信道(金属信道)的数学模型，先从发射端换能器-接收端换能器入手组建，根据式(3)确定发射端换能器-接收端换能器的频域表达式H_T-R(f)：

$H_{T-R}\left(f\right)=H_T\left(f\right)\&CenterDot;H_R\left(f\right)=\{\mathrm{\&delta;}(f-f_c)+\mathrm{\&delta;}(f+f_c)\}*{\left(\mathrm{\&beta;}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&delta;}}{e}^{\left(\frac{-f^2}{2{\mathrm{\&delta;}}^2}\right)}\right)}^2$

                                                式(3)

式(3)中，在中心频率处达到最大单位峰值，即：当时式(3)变为式(4)：

$H_{T-R}\left(f\right)=\{\mathrm{\&delta;}(f-f_c)+\mathrm{\&delta;}(f+f_c)\}*e^{\left(\frac{-f^2}{{\mathrm{\&delta;}}^2}\right)}$    式(4)

根据式(4)，将H_T-R(f)从频域变换到时域：

   式(5)

为获得单位增益，在式(5)中加入系数κ，得到发射端换能器-接收端换能器的时域数学模型h_T-R(t)，h_T-R(t)由式(6)计算：

$h_{T-R}\left(t\right)=\mathrm{\&kappa;}\sqrt{\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&delta;}\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t\right)e^{-{\left(\mathrm{\&pi;\&delta;t}\right)}^2}$    式(6)

在前述金属信道模型的构建方法的具体实施方式中，可选地，所述确定发射端耦合剂的传递函数k_T(t)及接收端耦合剂的传递函数k_R(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k_T(t)及所述接收端耦合剂的传递函数k_R(t)。

本发明实施例中，为了实现输入信号在不同介质中的传输，首先分析一下金属信道的特性，例如，可以用一个单位脉冲激励超声波穿过所述金属信道，发现在接收端除了接收到主接收波脉冲后，还有一系列紧随其后的回波脉冲，这些回波脉冲就会对下一次的数据发射造成干扰，这就是符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)。ISI会严重影响金属信道的传输性能，在低数据速率传输(几十千符号/秒)时，回波脉冲衰减有充足的间隔，ISI可以忽略不计；在高数据速率时，脉冲间隔变紧凑，来自相邻脉冲的回波就会导致严重的ISI，如不进行修正，可能会导致符号间错误，经分析发现造成ISI主要有反射作用和散射作用两方面的因素。

反射作用是指当超声波从一种介质传输到另一种介质时(两个相邻信道层)，在两个不同介质的分界面上一部分超声波被反射，另一部分超声波透过界面，在介质中继续传播。反射与透射系数关系到信号的传输效率及衰减程度，不同介质的阻抗特性的匹配程度决定了反射系数与透射系数大小。

当超声波垂直射入金属板时，在两种介质界面处的反射系数和透射系数分别为R和T，当阻抗匹配最佳时，反射系数R≈0，透射系数T≈1，此时几乎没有反射，最大限度的减少了回波脉冲，超声波能量透射几乎达到100％，显然，这是不可能发生的；当反射系数R≈1，超声波在两种介质界面处上几乎发生全反射，此时就不能实现超声波穿钢通信。

散射作用是指任何最终没有穿过信道的或者反射回信号源的信号能量，以热量的形式散失或者从金属板中辐射出去。这种能量的泄露也被称作声束散射，这就是衍射的结果。衍射现象导致了发射端的平面前向波近似变成了球面波(确切的说，波的形状是由波长λ相对于换能器的直径d而决定的)。因此，即使在阻抗完美匹配的情况下，发射信号(输入信号)的能量并不是全都入射到接收端的表面。当发射速率确定后，超声波的固有频率就确定了，从而波长就变得不可更改。此时，波阵面的形状由换能器的直径d和金属板厚度t的比值决定，当d/t＞＞1时，波形近似平面波；反之，波形近似球面波。

本发明实施例中，所述发射端耦合剂及接收端耦合剂主要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，故可认为发射端耦合剂的传递函数k_T(t)为常数k_T，接收端耦合剂的传递函数k_R(t)为常数k_R。

在前述金属信道模型的构建方法的具体实施方式中，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A_dB：

$A_{\mathrm{dB}}=\frac{-20\&CenterDot;{\mathrm{LOG}}_{10}\left(\frac{x}{x_0}\right)}{d},d\&NotEqual;0$

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c_s，则输入信号的振幅x随时间的变化表示为x(t)：

$x\left(t\right)=x_0\&CenterDot;e^{-\frac{A_{\mathrm{dB}}\&CenterDot;c_s\&CenterDot;d\&CenterDot;\ln \left(10\right)}{20}t}$

根据x(t)，确定超声波在金属介质中的时域衰减模型h_m(t)：

$h_m\left(t\right)=e^{-\frac{A_{\mathrm{dB}}\&CenterDot;c_s\&CenterDot;d\&CenterDot;\ln \left(10\right)}{20}t}$

本发明实施例中，各向同性介质的特征往往取决于其基本声学参数，在穿过金属信道通信过程中，各向同性介质金属信道中超声波的传播与超声波参数在三维的金属板中有着复杂的相互作用。式(7)为超声波在金属介质中每单位长度上增量的衰减，利用式(7)来制定基本金属板衰减模型。

$A_{\mathrm{dB}}=\frac{-20\&CenterDot;{\mathrm{LOG}}_{10}\left(\frac{x}{x_0}\right)}{d},d\&NotEqual;0$    式(7)

式(7)，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，由式(7)可得式(8)：

$x=x_0\&CenterDot;e^{-\frac{A_{\mathrm{dB}}\&CenterDot;d\&CenterDot;\ln \left(10\right)}{20}}$    式(8)

引入超声波在金属介质中的纵向速度c_s，则输入信号的振幅x随时间的变化表示为x(t)，x(t)由式(9)计算：

$x\left(t\right)=x_0\&CenterDot;e^{-\frac{A_{\mathrm{dB}}\&CenterDot;c_s\&CenterDot;d\&CenterDot;\ln \left(10\right)}{20}t}$    式(9)

令则由式(9)可得式(10)：

x(t)＝x₀·e^-αt   式(10)

根据x(t)，确定超声波在金属介质中的时域衰减模型h_m(t)，h_m(t)由式(11)计算：

$h_m\left(t\right)=e^{-\frac{A_{\mathrm{dB}}\&CenterDot;c_s\&CenterDot;d\&CenterDot;\ln \left(10\right)}{20}t}=e^{-\mathrm{\&alpha;t}}$    式(11)

在前述金属信道模型的构建方法的具体实施方式中，可选地，所述确根据金属信道中存在的回波脉冲及所述h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型h_multipath(t)包括：

根据所述h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定整个金属信道的时域数学模型h_channel(t)，h_channel(t)＝h_T-R(t)·k_T(t)·h_m(t)·k_R(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h_multipath(t)：

h_multipath(t)＝h_channel(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。

本发明实施例中，超声波在进入金属板后，由于能量损耗，产生振幅衰减，衰减幅度遵循式(11)，同时发射端耦合剂及接收端耦合剂也会造成衰减，综上所述，通过式(12)确定整个金属信道的时域信道数学模型h_channel(t)：

$h_{\mathrm{channel}}\left(t\right)=k_1{k}_R\left\{\mathrm{\&kappa;}\sqrt{\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&delta;}\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t\right)e^{-{\left(\mathrm{\&pi;\&delta;t}\right)}^2}\right\}{e}^{-\mathrm{\&alpha;t}},t\&GreaterEqual;0$    式(12)

由于金属信道中还存在回波脉冲，假设回波脉冲是主接收波脉冲的等比例缩放时延的结果，通过式(13)确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型h_multipath(t)：

h_multipath(t)＝h_channel(t)·δ(t-nτ)e^-ηt,t≥0   式(13)

式(13)中，η是金属信道的衰减参数，对于金属板信道的经验衰减值为7800s^-1，τ表示超声波在金属板中的往返时间，τ由式(14)计算：

$\mathrm{\&tau;}=\frac{2l}{c}$    式(14)

式(14)中，l为金属板的厚度，c为超声波在金属板中的传播速度，n为回波脉冲的个数。参看图2和图3所示，通过仿真发现本发明构建的金属信道模型高度近似实际金属信道模型，从而能够反映出实际金属信道模型的特点。

实施例二

本发明还提供一种金属信道模型的构建系统的具体实施方式，由于本发明提供的金属信道模型的构建系统与前述金属信道模型的构建方法的具体实施方式相对应，该金属信道模型的构建系统可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的，因此上述金属信道模型的构建方法具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的金属信道模型的构建系统的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。

参看图4所示，本发明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101：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h_T-R(t)；

耦合剂函数确定单元102：用于确定发射端耦合剂的传递函数k_T(t)及接收端耦合剂的传递函数k_R(t)；

衰减模型确定单元103：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h_m(t)；

信道模型确定单元104：用于根据金属信道中存在的回波脉冲及所述h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型h_multipath(t)。

本发明实施例所述的金属信道模型的构建系统，通过确定发射端换能器-接收端换能器的时域数学模型h_T-R(t)、发射端耦合剂的传递函数k_T(t)及接收端耦合剂的传递函数k_R(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h_m(t)，再根据金属信道中存在的回波脉冲及所述h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型h_multipath(t)。这样，通过发射端换能器将输入信号转换为超声波，并利用超声波的超强穿透性而不是射频穿过所述金属信道，并建立实际金属信道的数学模型h_multipath(t)来仿真实际金属信道的特点，从而反映实际金属信道中输入信号与输出信号之间的关系，有助于预测所述输入信号在实际金属信道中的传输性能。

在前述金属信道模型的构建系统的具体实施方式中，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H_T(f)及所述接收端换能器的频域表达式H_R(f)，f为频率；

第二确定模块：用于根据H_T(f)及H_R(f)，确定发射端换能器-接收端换能器的频域表达式H_T-R(f)，H_T-R(f)＝H_T(f)·H_R(f)；

换能器时域模型确定模块：用于将H_T-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h_T-R(t)。

在前述金属信道模型的构建系统的具体实施方式中，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k_T(t)及所述接收端耦合剂的传递函数k_R(t)。

在前述金属信道模型的构建系统的具体实施方式中，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A_dB：

$A_{\mathrm{dB}}=\frac{-20\&CenterDot;{\mathrm{LOG}}_{10}\left(\frac{x}{x_0}\right)}{d},d\&NotEqual;0$

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c_s，则输入信号的振幅x随时间的变化表示为x(t)：

$x\left(t\right)=x_0\&CenterDot;e^{-\frac{A_{\mathrm{dB}}\&CenterDot;c_s\&CenterDot;d\&CenterDot;\ln \left(10\right)}{20}t}$

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h_m(t)：

$h_m\left(t\right)=e^{-\frac{A_{\mathrm{dB}}\&CenterDot;c_s\&CenterDot;d\&CenterDot;\ln \left(10\right)}{20}t}$

在前述金属信道模型的构建系统的具体实施方式中，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h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定整个金属信道的时域数学模型h_channel(t)，h_channel(t)＝h_T-R(t)·k_T(t)·h_m(t)·k_R(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h_multipath(t)：

h_multipath(t)＝h_channel(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。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

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h_T-R(t)；

确定发射端耦合剂的传递函数k_T(t)及接收端耦合剂的传递函数k_R(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h_m(t)；

根据金属信道中存在的回波脉冲及所述h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型h_multipath(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-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H_T(f)及所述接收端换能器的频域表达式H_R(f)，f为频率；

根据H_T(f)及H_R(f)，确定发射端换能器-接收端换能器的频域表达式H_T-R(f)，H_T-R(f)＝H_T(f)·H_R(f)；

将H_T-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h_T-R(t)。

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k_T(t)及接收端耦合剂的传递函数k_R(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k_T(t)及所述接收端耦合剂的传递函数k_R(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A_dB：

$A_{\mathrm{dB}}=\frac{-20\&CenterDot;{\mathrm{LOG}}_{10}\left(\frac{x}{x_0}\right)}{d},d\&NotEqual;0$

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c_s，则输入信号的振幅x随时间的变化表示为x(t)：

$x\left(t\right)=x_0\&CenterDot;e^{-\frac{A_{\mathrm{dB}}\&CenterDot;c_s\&CenterDot;d\&CenterDot;\ln \left(10\right)}{20}t}$

根据x(t)，确定超声波在金属介质中的时域衰减模型h_m(t)：

$h_m\left(t\right)=e^{-\frac{A_{\mathrm{dB}}\&CenterDot;c_s\&CenterDot;d\&CenterDot;\ln \left(10\right)}{20}t}.$

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h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型h_multipath(t)包括：

根据所述h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定整个金属信道的时域数学模型h_channel(t)，h_channel(t)＝h_T-R(t)·k_T(t)·h_m(t)·k_R(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h_multipath(t)：

h_multipath(t)＝h_channel(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。

6.一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h_T-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k_T(t)及接收端耦合剂的传递函数k_R(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h_m(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h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定带回波脉冲的金属信道的时域数学模型h_multipath(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H_T(f)及所述接收端换能器的频域表达式H_R(f)，f为频率；

第二确定模块：用于根据H_T(f)及H_R(f)，确定发射端换能器-接收端换能器的频域表达式H_T-R(f)，H_T-R(f)＝H_T(f)·H_R(f)；

换能器时域模型确定模块：用于将H_T-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h_T-R(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k_T(t)及所述接收端耦合剂的传递函数k_R(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A_dB：

$A_{\mathrm{dB}}=\frac{-20\&CenterDot;{\mathrm{LOG}}_{10}\left(\frac{x}{x_0}\right)}{d},d\&NotEqual;0$

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c_s，则输入信号的振幅x随时间的变化表示为x(t)：

$x\left(t\right)=x_0\&CenterDot;e^{-\frac{A_{\mathrm{dB}}\&CenterDot;c_s\&CenterDot;d\&CenterDot;\ln \left(10\right)}{20}t}$

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h_m(t)：

$h_m\left(t\right)=e^{-\frac{A_{\mathrm{dB}}\&CenterDot;c_s\&CenterDot;d\&CenterDot;\ln \left(10\right)}{20}t}$

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h_T-R(t)、k_T(t)、k_R(t)和h_m(t)，确定整个金属信道的时域数学模型h_channel(t)，h_channel(t)＝h_T-R(t)·k_T(t)·h_m(t)·k_R(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h_multipath(t)：

h_multipath(t)＝h_channel(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。