[发明专利]一种穿钢信道建模方法及装置

权利要求书

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；

其中，穿钢信道传递函数为：

其中，H_c表示穿钢信道传递函数，T_t表示超声波发射换能器，T_r表示超声波接收换能器，K_T、K_R都表示反射系数，B_f、B_r分别表示前向通路和反馈通路；

其中，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；

穿钢信道使用APC841材料组成的一对半径为30mm、厚度为32μm的超声波发射换能器和超声波接收换能器，其中，所述超声波发射换能器和超声波接收换能器为压电换能器，用一个阶跃脉冲激励穿钢信道并测量得到该压电换能器的谐振频率为1MHz；所述压电换能器共轴放置在厚度为63.5mm的钢板两侧并且使用耦合剂附着在钢板上；在通用电路分析程序pspice软件中获得输入和输出信号，其中，输入信号为振幅为1V，脉宽为0.5μs的矩形脉冲；

其中，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；

其中，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；

其中，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；

穿钢信道的主路径由超声波发射换能器，耦合剂，钢板前向通路和超声波接收换能器串联而成，即P＝T_tK_TB_fK_RT_r，P是主路径的传递函数，通过系统辨识技术将整个主路径模拟为一个有理传递函数和一个纯延迟的级联，主路径传递函数表示为式：

P(z)＝P_l(z)z^-d

其中，P_l(z)为主路径传递函数的集总元件部分，用于解释换能器和钢板频率可选择性的影响，而z^-d说明这些组件所产生的声延迟，P_l(z)表示为式：

其中，b_P ()和a_P ()为主路径传递函数的系数矢量，d为主路径传递函数的时延，M_P和N_P为主路径传递函数的阶次。

2.一种穿钢信道建模装置，其特征在于，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；

其中，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；

穿钢信道使用APC841材料组成的一对半径为30mm、厚度为32μm的超声波发射换能器和超声波接收换能器，其中，所述超声波发射换能器和超声波接收换能器为压电换能器，用一个阶跃脉冲激励穿钢信道并测量得到该压电换能器的谐振频率为1MHz；所述压电换能器共轴放置在厚度为63.5mm的钢板两侧并且使用耦合剂附着在钢板上；在通用电路分析程序pspice软件中获得输入和输出信号，其中，输入信号为振幅为1V，脉宽为0.5μs的矩形脉冲；

其中，穿钢信道传递函数的传递函数为：

其中，H_c表示穿钢信道传递函数，T_t表示超声波发射换能器，T_r表示超声波接收换能器，K_T、K_R都表示反射系数，B_f、B_r分别表示前向通路和反馈通路；

其中，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；

其中，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；

其中，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；

穿钢信道的主路径由超声波发射换能器，耦合剂，钢板前向通路和超声波接收换能器串联而成，即P＝T_tK_TB_fK_RT_r，P是主路径的传递函数，通过系统辨识技术将整个主路径模拟为一个有理传递函数和一个纯延迟的级联，主路径传递函数表示为式：

P(z)＝P_l(z)z^-d

其中，P_l(z)为主路径传递函数的集总元件部分，用于解释换能器和钢板频率可选择性的影响，而z^-d说明这些组件所产生的声延迟，P_l(z)表示为式：

其中，b_P ()和a_P ()为主路径传递函数的系数矢量，d为主路径传递函数的时延，M_P和N_P为主路径传递函数的阶次。