CN106124026A - 一种超声信道能量衰落建模方法及其实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明一种超声信道能量衰落建模方法及其实验装置，方法包括：设置信道系统参数，并建立用于超声波传输能量信道的黑盒模型；通过测量仪器采集实验的测试集数据，并根据黑盒模型对其进行处理得到衰落信道模型。装置包括超声波发生部件、矩形水槽、接收装置底座和超声波接收装置，所述矩形水槽的侧壁设有连接口，所述矩形水槽的底部设有与侧壁垂直设置的导轨和标尺，所述接收装置底座安装在导轨上，所述超声波接收装置安装在接收装置底座上。本发明可有效控制参数变量，对影响系统效率的参数进行多方面探究和试验测量，使用快捷简便，且能有效提高准确性，可广泛用于对超声波输能的研究领域。

Description

一种超声信道能量衰落建模方法及其实验装置

技术领域

本发明涉及超声波能量传输技术领域，尤其涉及一种超声信道能量衰落建模方法及其实验装置。

背景技术

无线输能是现在能量传输的一个研究热点，目前研究超声波输能有直接让超声波换能器与超声波接收装置接触，或者将超声波换能器放置在传输介质（如液体）中。但此种实验方式无法对变量进行精确和定量的控制，难以对影响系统效率的参数进行试验测量。

对于传输信道建模目前并没有一个确定性的方法。有学者通过机电等效的方法，将信道等效为电路模型，采用耦合的方式描述传输衰落信道和传输系统，但此方法无法与实验数据紧密结合。

当在研究超声波在液体介质中的传输效率时，需要对超声波接收装置相对于超声波发生器及超声波换能器的源宿距离、相对高度、相对角度进行定量的测量，但如果采用传统的衰落信道建模方法和实验方式，则无法对实验变量进行精确控制，不能保证实验的准确性和精确性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能精确控制，且能提高准确性的一种超声信道能量衰落建模方法。

本发明的另一个目的是提供一种能精确控制，且能实现快速测量的一种超声信道能量衰落建模实验装置。

本发明所采取的技术方案是：

一种超声信道能量衰落建模方法，包括以下步骤：

设置信道系统参数，并建立用于超声波传输能量信道的黑盒模型，所述黑盒模型包括有输入端口和输出端口；

通过测量仪器采集实验的测试集数据，并根据黑盒模型对其进行处理得到衰落信道模型。

作为所述的一种超声信道能量衰落建模方法的进一步改进，所述通过测量仪器采集实验的测试集数据，并根据黑盒模型对其进行处理得到衰落信道模型，其具体包括：

在多次实验中利用测量仪器通过电气测量点进行数据采集，得到实验的测试集数据；

对测试集数据进行统计学处理，并进而进行回归分析，建立有相关关系的变量之间的数学关系式，从而确定变量之间的相关关系，进而得到变量之间的相互依赖和制约关系，得到衰落信道模型。

作为所述的一种超声信道能量衰落建模方法的进一步改进，所述对测试集数据进行统计学处理，并进而进行回归分析，建立有相关关系的变量之间的数学关系式，从而确定变量之间的相关关系，进而得到变量之间的相互依赖和制约关系，得到衰落信道模型，之后还包括以下步骤：

根据得到的衰落信道模型，对其进行验证处理。

作为所述的一种超声信道能量衰落建模方法的进一步改进，所述根据得到的衰落信道模型，对其进行验证处理，其具体包括：

重复获取测试集数据的实验步骤，在同一实验参数下，取不同的实验数值，得到检验集数据；

根据得到的衰落信道模型进行预测和控制，得到模型预测集数据；

将检验集数据和模型预测集数据进行对比处理，从而根据对比结果判断衰落信道模型的有效性。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种超声信道能量衰落建模实验装置，包括超声波发生部件、矩形水槽、接收装置底座和超声波接收装置，所述矩形水槽的侧壁设有连接口，所述超声波发生部件通过连接口与矩形水槽连接，所述矩形水槽的底部设有与侧壁垂直设置的导轨和标尺，所述接收装置底座安装在导轨上，所述超声波接收装置安装在接收装置底座上。

作为所述的一种超声信道能量衰落建模实验装置的进一步改进，所述超声波发生部件包括超声波发生器和第一超声波换能器，所述超声波发生器的输出端与第一超声波换能器的输入端连接，所述第一超声波换能器通过连接口与矩形水槽连接。

作为所述的一种超声信道能量衰落建模实验装置的进一步改进，所述接收装置底座包括底座主体，所述底座主体底部设有安装座，所述底座主体通过安装座安装在导轨上，所述底座主体上由上到下依次设有角度调节盘、细调连杆和粗调连杆，所述底座主体底部设有超声波接收装置夹具，所述超声波接收装置安装在超声波接收装置夹具上。

作为所述的一种超声信道能量衰落建模实验装置的进一步改进，所述超声波接收装置包括有第二超声波换能器和整流电路，所述第二超声波换能器的输出端与整流电路的输入端连接。

作为所述的一种超声信道能量衰落建模实验装置的进一步改进，所述安装座通过螺栓与导轨连接。

作为所述的一种超声信道能量衰落建模实验装置的进一步改进，所述角度调节盘可自由旋转，能实现0°～180°的旋转调节。

本发明的有益效果是：

本发明一种超声信道能量衰落建模方法通过对测试集数据的采集和处理，从而建立了测量变量与系统参数的相关关系模型，进而择优选择和修正模型，对传输信道的特征和性能进行了描述，本发明可有效控制参数变量，对影响系统效率的参数进行多方面探究和试验测量，使用快捷简便，且能有效提高准确性，可广泛用于对超声波输能的研究领域。

本发明的另一个有益效果是：

本发明一种超声信道能量衰落建模实验装置通过侧面连接超声波发生部件，并将超声波接收装置置于接收装置底座上，在液体介质中通过改变接收装置底座在导轨上不同距离螺栓的连接和移动，从而能有效控制源宿距离，并可通过矩形水槽底面标尺读出，使用简单方便。

进一步，通过接收装置底座的粗调连杆和细调连杆实现在垂直于水面的相对高度调节，通过底座上角度调节器的旋转改变，从而调节超声波接收装置与超声波发生部件的相对角度，再通过超声波接收装置的测量点测量相关数据，提高了实验结果的准确性与可靠性，实现了有效地对实验变量进行精确控制，能满足超声波输能多次实验要求。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1为本发明一种超声信道能量衰落建模方法的步骤流程图；

图2为本发明一种超声信道能量衰落建模方法的数据处理的步骤流程图；

图3为本发明一种超声信道能量衰落建模实验装置的超声发生部件的结构方框图；

图4为本发明一种超声信道能量衰落建模实验装置的结构示意图；

图5为本发明一种超声信道能量衰落建模实验装置的侧视图；

图6为本发明一种超声信道能量衰落建模实验装置的俯视图；

图7为本发明一种超声信道能量衰落建模实验装置的接收装置底座正视示意图；

图8为本发明一种超声信道能量衰落建模实验装置的接收装置底座俯视示意图；

图9为本发明一种超声信道能量衰落建模实验装置的超声波接收装置框图。

具体实施方式

参考图1，本发明一种超声信道能量衰落建模方法，包括以下步骤：

设置信道系统参数，并建立用于超声波传输能量信道的黑盒模型，所述黑盒模型包括有输入端口和输出端口；

通过测量仪器采集实验的测试集数据，并根据黑盒模型对其进行处理得到衰落信道模型。

其中，所述信道系统参数包括源宿距离、角度、高度、频率和传输介质等。

优选的，在控制变量的前提下，调整信道系统参数，如源宿距离、角度、高度、频率和传输介质等，重复上述步骤，即可得到不同参数下的衰落信道模型。

参考图2，进一步作为优选的实施方式，所述通过测量仪器采集实验的测试集数据，并根据黑盒模型对其进行处理得到衰落信道模型，其具体包括：

在多次实验中利用测量仪器通过电气测量点进行数据采集，得到实验的测试集数据；

对测试集数据进行统计学处理，并进而进行回归分析，建立有相关关系的变量之间的数学关系式，从而确定变量之间的相关关系，进而得到变量之间的相互依赖和制约关系，得到衰落信道模型。

其中，所述测试集数据包括但不限于电压、电流和功率等参数。所述统计学处理包括但不限于标准化处理、异常点剔除和共线性分析等统计数据分析处理方法。

进一步作为优选的实施方式，所述对测试集数据进行统计学处理，并进而进行回归分析，建立有相关关系的变量之间的数学关系式，从而确定变量之间的相关关系，进而得到变量之间的相互依赖和制约关系，得到衰落信道模型，之后还包括以下步骤：

根据得到的衰落信道模型，对其进行验证处理。

进一步作为优选的实施方式，所述根据得到的衰落信道模型，对其进行验证处理，其具体包括：

重复获取测试集数据的实验步骤，在同一实验参数下，取不同的实验数值，得到检验集数据；

根据得到的衰落信道模型进行预测和控制，得到模型预测集数据；

将检验集数据和模型预测集数据进行对比处理，从而根据对比结果判断衰落信道模型的有效性。

参考图3～图9，本发明一种超声信道能量衰落建模实验装置，包括超声波发生部件、矩形水槽11、接收装置底座4和超声波接收装置，所述矩形水槽11的侧壁设有连接口，所述超声波发生部件通过连接口与矩形水槽11连接，所述矩形水槽11的底部设有与侧壁垂直设置的导轨1和标尺3，所述接收装置底座4安装在导轨1上，所述超声波接收装置安装在接收装置底座4上。

优选的，所述矩形水槽11为不锈钢体，侧边通过耦合剂及与第一超声波换能器12同样直径的圆形的连接口与第一超声波换能器12相连接；所述矩形水槽11底面设置导轨1及标尺3，可在上述导轨1上对超声波接收装置进行相对超声波发生器和第一超声波换能器12的源宿距离，相对高度和相对角度的调节。

进一步作为优选的实施方式，所述超声波发生部件包括超声波发生器和第一超声波换能器12，所述超声波发生器的输出端与第一超声波换能器12的输入端连接，所述第一超声波换能器12通过连接口与矩形水槽11连接。

优选的，所述超声波发生器可以产生相应频率的超声波。所述第一超声波换能器12为压电陶瓷圆环形换能片。所述超声波发生器的正负电极与所述第一超声波换能器12的正负电极通过导线进行连接。

进一步作为优选的实施方式，所述接收装置底座4包括底座主体16，所述底座主体16底部设有安装座17，所述底座主体16通过安装座17安装在导轨1上，所述底座主体16上由上到下依次设有角度调节盘5、细调连杆7和粗调连杆8，所述底座主体16底部设有超声波接收装置夹具10，所述超声波接收装置安装在超声波接收装置夹具10上。

优选的，所述导轨1为空心圆柱体，并设有螺栓2，螺栓2间距为5cm，用于与接收装置底座4的固定和连接，可实现接收装置底座4在导轨1上远近距离的调节；所述标尺3平行于导轨1，用于记录第一超声波换能器12与超声波接收装置的源宿距离。所述接收装置底座4顶部设有超声波接收装置夹具10，夹具为L型，由绝缘材料制作；所述底座粗调连杆8和细调连杆7上均标明刻度，分别实现相对高度H的精细调节。

进一步作为优选的实施方式，所述超声波接收装置包括有第二超声波换能器和整流电路，所述第二超声波换能器的输出端与整流电路的输入端连接。

优选的，所述第二超声波换能器为压电陶瓷圆环换能器，其正负电极通过导线与整流电路的电极相连；整流电路后端设置相应输出电极作为的电气测量点14，可通过示波器，万用表等相关仪器进行测量。

进一步作为优选的实施方式，所述安装座17通过螺栓2与导轨1连接。

进一步作为优选的实施方式，所述角度调节盘5可自由旋转，能实现0°～180°的旋转调节。

本发明具体实施例中，以系统参数设置为超声波频率为F1，源宿距离L1，相对高度H1，相对角度为90°下超声波在介质A中的能量传输实验过程进行说明。

首先在矩形水槽11内放置相应的介质A。确定实验频率后，调整超声波发生器至相应的起振频率F1，连接至第一超声波发生器电极13，给超声波换能器12提供相应频率F1正弦波电流。将超声波接收装置放置在接收装置底座4的L型绝缘的超声波接收装置夹具10，调节接收装置底座4上的粗调连杆8，再调节接收装置底座4上的细调连杆7，分别读出高度数值h1和h2（H1=h1+h2）。转动接收装置底座4上的角度调节盘5，使得超声波接收装置与第一超声波换能器12成一定的角度α（此例为90⁰）。接收装置底座4放置在导轨1上，接收装置底座4通过导轨1上的螺栓2卡口2进行固定。并通过底面上的标尺3读出源宿距离L1，做好数据记录（F1，H1，L1，α，介质A）。通过超声波接收装置读出接收数值，可得到超声波在条件：频率F1，源宿距离L1，相对高度H1，相对角度为 α 下在介质A中传输的实验数据，在以上系统参数条件下，重复多次实验，采集实验的测试集数据D1。

将传输信道等效为黑盒模型，根据所述黑盒模型输入输出端口实验测试集数据D1的分布情况，运用统计学方法，对测试集数据D1进行处理，进行回归分析，选择合适模型，建立有相关关系的变量之间的数学关系式。从而确定变量之间的相关关系。

通过参数分析，判别所建立的数学关系式的有效性，并对模型进行择优选择。

重复以上D1实验步骤，在同一实验参数下，取不同的实验数值，得到检验集数据D2。

利用所得到的经验公式进行预测和控制，得到模型预测集数据D3，对比试验检验集D2数据，观测其预测性并进行验证。

在控制变量的前提下，调整信道参数，如源宿距离，角度，高度，频率，传输介质等，重复以上实施方式步骤，得到不同参数下的衰落信道模型。

因为在研究超声波输能的实验中，需要对多个实验参数进行控制，并进行多次实验数据观测。实践发现，使用该实验装置，可以简单便捷地通过上述方法对实验变量频率F，源宿距离L，相对高度H，相对角度α，介质种类进行多次控制调整，并多次实验。保证了实验的高效性，提高了实验结果的准确性与可靠性，实现了有效地对实验变量（源宿距离，相对高度，相对角度，传输介质等）进行精确控制，能满足超声波输能多次实验要求。同时通过测试集数据D1的采集和处理，建立了测量变量与系统参数的相关关系模型。择优选择和修正模型，对传输信道的特征和性能进行了描述，对检验集数据D2进行了预测。此装置可有效控制参数变量，对影响系统效率的参数进行多方面探究和试验测量，使用快捷简便，结合建模方法可广泛用于对超声波输能的研究领域。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种超声信道能量衰落建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置信道系统参数，并建立用于超声波传输能量信道的黑盒模型，所述黑盒模型包括有输入端口和输出端口；

通过测量仪器采集实验的测试集数据，并根据黑盒模型对其进行处理得到衰落信道模型。

2.根据权利要求1所述的一种超声信道能量衰落建模方法，其特征在于：所述通过测量仪器采集实验的测试集数据，并根据黑盒模型对其进行处理得到衰落信道模型，其具体包括：

在多次实验中利用测量仪器通过电气测量点进行数据采集，得到实验的测试集数据；

对测试集数据进行统计学处理，并进而进行回归分析，建立有相关关系的变量之间的数学关系式，从而确定变量之间的相关关系，进而得到变量之间的相互依赖和制约关系，得到衰落信道模型。

3.根据权利要求2所述的一种超声信道能量衰落建模方法，其特征在于：所述对测试集数据进行统计学处理，并进而进行回归分析，建立有相关关系的变量之间的数学关系式，从而确定变量之间的相关关系，进而得到变量之间的相互依赖和制约关系，得到衰落信道模型，之后还包括以下步骤：

根据得到的衰落信道模型，对其进行验证处理。

4.根据权利要求3所述的一种超声信道能量衰落建模方法，其特征在于：所述根据得到的衰落信道模型，对其进行验证处理，其具体包括：

重复获取测试集数据的实验步骤，在同一实验参数下，取不同的实验数值，得到检验集数据；

根据得到的衰落信道模型进行预测和控制，得到模型预测集数据；

将检验集数据和模型预测集数据进行对比处理，从而根据对比结果判断衰落信道模型的有效性。

5.一种超声信道能量衰落建模实验装置，其特征在于：包括超声波发生部件、矩形水槽、接收装置底座和超声波接收装置，所述矩形水槽的侧壁设有连接口，所述超声波发生部件通过连接口与矩形水槽连接，所述矩形水槽的底部设有与侧壁垂直设置的导轨和标尺，所述接收装置底座安装在导轨上，所述超声波接收装置安装在接收装置底座上。

6.根据权利要求5所述的一种超声信道能量衰落建模实验装置，其特征在于：所述超声波发生部件包括超声波发生器和第一超声波换能器，所述超声波发生器的输出端与第一超声波换能器的输入端连接，所述第一超声波换能器通过连接口与矩形水槽连接。

7.根据权利要求5所述的一种超声信道能量衰落建模实验装置，其特征在于：所述接收装置底座包括底座主体，所述底座主体底部设有安装座，所述底座主体通过安装座安装在导轨上，所述底座主体上由上到下依次设有角度调节盘、细调连杆和粗调连杆，所述底座主体底部设有超声波接收装置夹具，所述超声波接收装置安装在超声波接收装置夹具上。

8.根据权利要求5所述的一种超声信道能量衰落建模实验装置，其特征在于：所述超声波接收装置包括有第二超声波换能器和整流电路，所述第二超声波换能器的输出端与整流电路的输入端连接。

9.根据权利要求7所述的一种超声信道能量衰落建模实验装置，其特征在于：所述安装座通过螺栓与导轨连接。

10.根据权利要求7所述的一种超声信道能量衰落建模实验装置，其特征在于：所述角度调节盘可自由旋转，能实现0°～180°的旋转调节。