一种穿钢信道建模方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种穿钢信道建模方法及装置，能够反映出穿钢信道的特点。所述方法包括：获取穿钢信道的输入输出数据；根据所述输入输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，建立穿钢信道的传递函数模型并确定所述传递函数模型的参数。所述系统包括：获取模块，用于获取穿钢信道的输入输出数据；建模模块，用于根据所述输入输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，建立穿钢信道的传递函数模型并确定所述传递函数模型的参数。本发明专利技术适用于穿钢通信技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种穿钢信道建模方法及装置
本专利技术涉及穿钢通信
，特别是指一种穿钢信道建模方法及装置。
技术介绍
穿透密闭容器(如：管道，压力罐，船舱等)的金属壁进行信号传输不能采用有线传输的方式。因为，有线传输需要在金属壁上钻孔以便让电缆线通过，而这样做不仅破坏了金属壁的完整性，而且破坏了容器的密闭性。传统的基于电磁波的无线传输(比如无线局域网，蜂窝通信和其他射频技术)同样无法应用于穿金属信号传输，这是由于金属壁的法拉第电磁屏蔽作用对电磁波的传输具有很强的抑制作用。由于超声波在固体中具有传播衰减小、可远距离传输的特性，因此可以利用超声波替代电磁波作为信息传输的载体，金属信道作为信息传输的媒介，实现金属信道内外数据的传输。压电换能器就是利用材料的压电效应实现能量转换的装置。压电换能器既可以作为发送设备，也可以作为接收设备。发送换能器能将电能转化成机械能，产生超声波，接收换能器将机械能转化为电能。此外，压电换能器传输能量的效率高且具备很好的与界面的耦合特性，因此是优先选择的器件。在工业控制应用中，穿金属障碍物进行数字信息传输的需求日益增加，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。这就促进了超声波通信的发展。对于使用超声波信号作为媒介穿过金属厚壁进行数据传输的方法，已有研究证明是可行的。近些年来，已经出现了一些穿过金属的超声波信号传输系统的设计。然而，还没有人提出准确的超声波穿钢信道数学模型。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种穿钢信道建模方法及装置，以解决现有技术所存在的没有准确的超声波穿钢信道数学模型的问题。为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种穿钢信道建模方法，包括：获取穿钢信道的输入输出数据；根据所述输入输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，建立穿钢信道的传递函数模型并确定所述传递函数模型的参数。进一步地，所述获取穿钢信道的输入输出数据包括：在穿钢信道的发射端，获取发射脉冲；在穿钢信道的接收端，获取穿钢信道瞬态响应。进一步地，所述根据所述输入输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，建立穿钢信道的传递函数模型并确定所述传递函数模型的参数包括：从瞬态响应中提取主接收脉冲的波形；将获取到的发射脉冲和提取的主接收脉冲分别作为估计主路径传递函数的输入-输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，得到主路径传递函数的系数矢量及时延。进一步地，所述根据所述输入输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，建立穿钢信道的传递函数模型并确定所述传递函数模型的参数还包括：从瞬态响应中提取第一回波脉冲的波形；将提取的主接收脉冲和第一回波脉冲分别作为估计回波路径传递函数的输入-输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，得到回波路径传递函数的系数矢量及时延。进一步地，所述方法还包括：根据瞬态响应中主接收脉冲最大峰值和第一回波脉冲最大峰值处之间的时间差估计主接收脉冲时延及穿钢信道往返延迟时间；主路径传递函数的时延为主接收脉冲时延与采样周期的比值；回波路径传递函数的时延为穿钢信道往返延迟时间与采样周期的比值。本专利技术实施例还提供一种穿钢信道建模装置，包括：获取模块，用于获取穿钢信道的输入输出数据；建模模块，用于根据所述输入输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，建立穿钢信道的传递函数模型并确定所述传递函数模型的参数。进一步地，所述获取模块包括：第一获取单元，用于在穿钢信道的发射端，获取发射脉冲；第二获取单元，用于在穿钢信道的接收端，获取穿钢信道瞬态响应。进一步地，所述建模模块包括：第一提取单元，用于从瞬态响应中提取主接收脉冲的波形；主路径建模单元，用于将获取到的发射脉冲和提取的主接收脉冲分别作为估计主路径传递函数的输入-输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，得到主路径传递函数的系数矢量及时延。进一步地，所述建模模块还包括：第二提取单元，用于从瞬态响应中提取第一回波脉冲的波形；回波路径建模单元，用于将提取的主接收脉冲和第一回波脉冲分别作为估计回波路径传递函数的输入-输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，得到回波路径传递函数的系数矢量及时延。进一步地，所述装置还包括：根据瞬态响应中主接收脉冲最大峰值和第一回波脉冲最大峰值处之间的时间差估计主接收脉冲时延及穿钢信道往返延迟时间；主路径传递函数的时延为主接收脉冲时延与采样周期的比值；回波路径传递函数的时延为穿钢信道往返延迟时间与采样周期的比值。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：上述方案中，通过获取穿钢信道的输入输出数据；根据所述输入输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，建立穿钢信道的传递函数模型并确定所述传递函数模型的参数。这样，通过系统辨识进行穿钢信道建模，不用考虑其内部结构，可以建立较准确的模型，从而真实反映出穿钢信道的特点，避免了实际搭建电路的风险性和代价。附图说明图1为本专利技术实施例提供的超声波通信系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的超声波穿钢信号传输装置的结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的穿钢信道瞬态响应示意图；图4为本专利技术实施例提供的穿钢信道子系统的组成示意图；图5为本专利技术实施例提供的变换后的穿钢信道子系统的组成示意图；图6为本专利技术实施例提供的穿钢信道的主要子系统和回波子系统的组成示意图；图7为本专利技术实施例提供的发射脉冲示意图；图8为本专利技术实施例提供的接收端穿钢信道脉冲瞬态响应示意图；图9为本专利技术实施例提供的被标记后的接收端穿钢信道脉冲瞬态响应示意图；图10为本专利技术实施例提供的发射脉冲和主接收脉冲示意图；图11为本专利技术实施例提供的实际主接收脉冲和辨识主接收脉冲对比示意图；图12为本专利技术实施例提供的主路径传递函数的阶跃响应示意图；图13为本专利技术实施例提供的主路径传递函数的频率响应示意图；图14为本专利技术实施例提供的第一回波脉冲和主接收脉冲示意图；图15为本专利技术实施例提供的第一回波脉冲实际和仿真结果对比示意图；图16为本专利技术实施例提供的回波路径传递函数的阶跃响应示意图；图17为本专利技术实施例提供的回波路径传递函数的频率响应示意图；图18为本专利技术实施例提供的矩形脉冲驱动simulink仿真模块图；图19为本专利技术实施例提供的示波器接收波形图。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、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。本专利技术针对现有的没有准确的超声波穿钢信道数学模型的问题，提供一种穿钢信道建模方法及装置。为了更好地理解本专利技术，对穿钢信道的特性进行说明：如图1所示为超声波通信系统的结构示意图，超声波通信系统包括：发送器、超声波发射换能器、金属板、超声波接收换能器、接收器。如图2所示为超声波穿钢信号传输装置，所述超声波穿钢信号传输装置包括：脉冲发生器、穿钢信道及示波器；所述穿钢信道由超声波发射换能器、发射端耦合剂、金属板(如：钢板)、接收端耦合剂、超声波接收换能器五部分组成。钢板可以看做是各项同性的弹性介质，它是超声波的主要传输信道。两个超声波换能器(如：超声波传感器)对称放置在金属板的两侧，超声波传感器与金属板之间有一种特殊的耦合剂。脉冲发生器产生矩形脉冲，激励穿钢信道，钢板左侧的超声波发射换能器将电压信号转换成超声波信号，超声波穿过钢板后，到达接收端的超声波接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种穿钢信道建模方法，其特征在于，包括：获取穿钢信道的输入输出数据；根据所述输入输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，建立穿钢信道的传递函数模型并确定所述传递函数模型的参数。

【技术特征摘要】
1.一种穿钢信道建模方法，其特征在于，包括：获取穿钢信道的输入输出数据；根据所述输入输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，建立穿钢信道的传递函数模型并确定所述传递函数模型的参数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取穿钢信道的输入输出数据包括：在穿钢信道的发射端，获取发射脉冲；在穿钢信道的接收端，获取穿钢信道瞬态响应。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述输入输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，建立穿钢信道的传递函数模型并确定所述传递函数模型的参数包括：从瞬态响应中提取主接收脉冲的波形；将获取到的发射脉冲和提取的主接收脉冲分别作为估计主路径传递函数的输入-输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，得到主路径传递函数的系数矢量及时延。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述输入输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，建立穿钢信道的传递函数模型并确定所述传递函数模型的参数还包括：从瞬态响应中提取第一回波脉冲的波形；将提取的主接收脉冲和第一回波脉冲分别作为估计回波路径传递函数的输入-输出数据，通过线性系统辨识中的传递函数模型法，得到回波路径传递函数的系数矢量及时延。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：根据瞬态响应中主接收接收脉冲最大峰值和第一回波脉冲最大峰值处之间的时间差估计主接收脉冲时延及穿钢信道往返延迟时间；主路径传递函数的时延为主接收脉冲时延与采样周期的比值；回波路径传递函数的...

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