1 绪论
1.1 研究的背景、目的和意义
在现代的航空和航天工业中，为了提高效率和可靠性并减少成本，对无线传感器的需求量很大。改进维护的方法是无线传感器技术的关键因素。基于这种情况，常需要放置传感器在一些密闭传导性的物体里，例如液压储能器和氧气瓶等，这些地方由于难以进行维护，一般不允许使用蓄电池。导电外壳对于传统的无线射频通信方式将带来很大的困难，因为电磁波在这些器壁上有集肤效应，因此衰减很严重，以至于无法接收到有效的信号[1]。超声波技术在无损检测、倒车报警以及医学超声成像技术等方面已得到广泛的使用。超声波在无损检测中的应用显示了它特别适合于导电信道中的使用。超声波频率的使用范围不同，表 1-1 列出了超声设备的使用情况。20世纪中叶超声通信技术进入控制领域。最初的声学远程控制器、太空指挥控制器由 Zenith 在 20 世纪 50 年代引入。二战时期，利用声学仪器进行水下物体的检测，导航和通信。对于无线通信模式如 RF 通信、光通信来说，水是弱介质，无法进行有效的传输，而超声通信技术弥补了这方面的缺限。只要经过妥当的耦合处理，传声通道就能像硬件连接线路一样可靠。
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1.2 国内外研究现状概述
上世纪 90 年代初，Welle 研究小组已经提出使用超声信号穿金属进行数据传输的问题，并基于不同的传输速率和功耗进行了研究[5]。在 Welle 申请的专利中，提出了外部控制器通过声耦合介质与内部嵌入的传感器或者执行器通信的问题，尽管专利中并没有涉及调制方案、可实现的传输速率及实现细节等问题，但是开创了固体金属中通信的先河。Saulnier 等人着重研究了穿过 6 英寸钢板的数据传输问题[6]。采取的方案是传感器采集密闭金属容器内的信息传递到外部的中继器。主要的目的是在传感器一侧产生低复杂度的数据中继器以便传感器一侧的功耗需求最小化，使蓄电池作为电源成为可能。从外部换能器发射连续波到内部换能器，同时改变接收端换能器的负载阻抗来调制反射信号的数据。这种无源传感器一侧的调制用一种相对简单的电路来完成，而不需要换能器的驱动放大电路。同传感器一侧换能器连接的晶体管通过改变负载阻抗，从而调节反射能量。然而传感器一侧硬件的相对简单增加了驱动侧硬件的复杂度。在已经实现的设计中，采用脉冲调制和连续波调制进行发射器和接收器两者之间的数据调制。这里对系统性能的主要限制因素是金属中声回波问题。可采取限制传输速率的方法以便克服因声回波引起的符号间干扰。对较厚的金属试件，数据速率限制在 450 bps。图 1-2 为金属钢板进行数据传输的实物图，图 1-3 为金属容器的超声通信的实物图[7]。
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2 系统设计原理及方案
2.1 超声波换能器
图 2-2 为课题研究采用的超声直探头示意图。从图 2-2 可以看出，超声探头不仅有压电陶瓷片，还包括保护膜、阻尼块和匹配电感线圈等，下面对每个部分的功能进行介绍。超声探头中核心部分为压电换能片，用脉冲激励信号激励压电片产生振动，发射声脉冲信号。当超声波作用于压电陶瓷片时，陶瓷片受压迫振动发生形变产生相应的电信号。基于压电陶瓷的上述优点，本课题采用锆钛酸铅（Pb（Zr，Ti）O3，PZT）压电陶瓷作为压电材料，如图 2-3 所示为试验中压电陶瓷片的示意图。PZT压电陶瓷具有高机电耦合系数和弹性常数、压电应变常数和压电常数，且温度稳定性好。本课题采用 PZT5 系列压电片，低功率情况下，共振与非共振状态均可使用，适合作为收-发两用压电探头，其主要性能指标如表 2-1 所示[19]。为提高换能器发射声波的效率，压电片需工作在共振状态下，一旦振动将很难停止，窄脉冲不易形成。因此需要在陶瓷片背面加上阻尼块增大陶瓷片振动的阻尼，同时吸收其背面发射的超声波。在调谐式电路中，为使探头的谐振频率能与仪器发出的电脉冲激励频率达到最佳匹配，常装有调谐线圈。调谐线圈有时也装在探头内。
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2.2 超声波穿金属通信信道
超声波穿金属厚壁通信中当发射的脉冲速率很高时，就会产生严重的超声回波，这将极大地影响数据的传输速率。在超声信道的瞬态脉冲响应上观察到的回波由两种因素造成。第一个因素是换能器和金属壁之间的阻抗不匹配问题。随着阻抗失配的增加，换能器和金属壁交界处的反射系数幅值将增大。图2-9展示了换能器和金属壁之间的接触面示意图。在理想的情况下，即换能器和金属壁间的阻抗完全匹配时，发射换能器发射的声脉冲完全通过金属壁，所有的声波都能被接收换能器接收。但由于材料阻抗不匹配和表面的粗糙导致在两物体的表面间总是呈现阻抗不匹配的情况。尽管可以通过匹配换能器和金属壁的材料，同时使两者间的接触面平滑的做法来确保阻抗匹配，然而在一些设备中这种方法是不切实际的。对于不同材质的金属壁要有相应材料属性的换能器与其对应，另外尽管研磨匹配面可确保封闭接触面，但是需要专用设备，在大多数安装中并不适用[27]。第二个因素是通过换能器到金属壁的声脉冲的衍射。衍射效应意味着即使换能器和金属板间的声阻抗完全匹配，回波现象依然存在。图2-10展示了超声脉冲从换能器到金属壁的衍射情况。在换能器阶段，波形呈平面向前传播，进入金属壁后声波变成球型。衍射导致发射的平面波阵面几乎变成了球面，因此无法保证所有的发射能量都撞击在接收换能器的表面上。波阵面的形状由换能器的直径和金属壁的厚度的比值决定，当 d / t >> 1时，波形是近似平面的；当比值远小于1时，波形是近似球面型的。这里t是金属壁的壁厚，d是换能器的直径。
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3超声波穿金属厚壁通信信道建模及辨识实现 ........20
3.1 压电换能器机电耦合模型........20
3.2 换能器的阻抗动态匹配电路分析及实验测试........21
3.3 信道接触面声波透射分析........23
3.4 超声通信信道模型建立及辨识方法剖析 .........24
3.5 超声通信信道模型辨识实现....28
3.5.1 主脉冲传递函数参数辨识....30
3.5.2 回波传递函数参数辨识 ........31
3.6 本章小结 ....34
4 超声波穿金属厚壁通信信道均衡器设计与实现.....35
4.1 信道均衡器结构.....35
4.2 建立信道均衡器模型 .........36
4.3 采用 SIMULINK 验证设计的均衡器模型.....37
4.4 信道均衡器实现方法 .........39
4.5 本章小结 ....42
5 超声波穿金属厚壁收发器设计 .......43
5.1 无回波消除的超声波穿金属发射器设计 .........43
5.2 采用回波消除技术的发射系统方案设计 .........49
5.3 接收端的设计 ........55
5.4 本章小结 ....58
6 超声波穿金属厚壁通信试验测试
6.1 无回波发射器接收信号分析
将 FPGA 产生的单脉冲激励信号经过电平转换器 CD4504 的信号放大，驱动 IRF820 开关管栅极，将 MAX668 产生的高压经电容存储的能量在阻尼电阻两端释放，在图 5-5 中 A 点产生所示的尖脉冲信号，该信号加载在发射换能器两端，激励压电片发出超声波信号，经金属信道的传输衰减，再经过接收端的放大与滤波处理。采用数字示波器 TDS 2024B 采集信号波形，可以看出窄脉冲宽度为 0.5 μs，最大电压幅值为 142 V。试验过程中，超声换能器谐振频率为 1 MHz，直径为 30 mm，厚度为 2 mm，灵敏度余量大于 40 dB，分辨率大于 30 dB，声束偏斜角小于 1°。直接将 PZT-5A 压电探头通过环氧树脂剂贴在 5.9 cm 的钢块上。在接收端采集到如图 6-1 所示的超声激励与接收脉冲响应波形图。从图中可以看出除主脉冲响应信号外还存在几个回波信号，为实现超声波高速通信，必须采取相应的方法消除回波的影响，实现超声波高速通信[59]。
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结论
为解决电磁波在金属器壁因集肤效应衰减无法通信的问题，采用超声波作为载体用于屏蔽体中信息的传递，通过对超声换能器和金属信道性能分析，分别建立了超声通信系统中超声波发射端、金属信道和超声接收端三部分的模型，通过系统模块变换，推导出主路径传递函数和回波路径传递函数，进而得到回波消除的设计均衡器的传递函数。基于压电陶瓷片的谐振特性，采用脉冲激励发送数据信息。建立由发射换能器、金属信道和接收换能器组成的超声通信信道的 ARX 模型，通过 FPE准则确定该模型的最优阶数，并采用最小二乘复指数法辨识最优阶数下模型的参数。得到消除回波的均衡器传递函数，作为整形器级联于系统前端，通过 SIMULINK 仿真初步验证了设计的可行性。通信系统主要由超声探头发射器、接收器和金属壁组成。发射探头端传送编码的激励信号。能量经过超声信道，再经过后续的信号采集与处理，恢复发送的数据流序列。该设计方案包括发射探头前端的脉冲信号的产生、功率放大、介质间的粘合、发射探头的电-声转换、刚性器壁对超声信号的透射分析，以及接收端小信号放大、带通滤波、比较器电路输出方波信号和后续的 FPGA 对信号的处理，最后还原出发射端的信息。
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参考文献（略）