非接触式超声导波数据传输方法及系统

本发明涉及超声波通信领域，尤其是涉及非接触式超声导波数据传输方法及系统。

背景技术：

1、新型数据传输技术能补齐现有技术的短板，并不断推动着在各个邻域发展和创新的需求逐渐增强。目前常用的电磁波无线和有线通讯方式在生物信息和航空航天等前沿领域的一些特殊数据传输场景下仍存在一些局限性。利用电磁波进行无线数据传输可能会对设备产生辐射和磁场干扰等影响。此外，电磁波在屏蔽材料包围的环境中工作时会受到显著的衰减。在有线数据传输中，若线缆铺设的不合理将极大程度的限制设备的移动性能，并且进行电缆线路的铺设同时长期的维护和故障排除也会增加成本。

2、使用超声波传输信息可以以相对较低的成本实现，并且其固有的安全特性使其难以被窃听。然而，超声波在空气中传播时会有较高的能量损失，并且随着频率的增加，衰减现象变得更加明显。如果传输通道变成固体板状结构，超声导波可以被考虑为一种优秀的通讯载波。它可以在板状结构中长距离传播且能量损失较小，并且超声导波已在平板结构的无损检测和结构健康监测中得到广泛研究。

3、多数以超声导波进行无损检测和数据传输的技术，通常需要传感器与结构物之间进行接触，此时非接触空气耦合式的器件布局对于不适于安装传感器和涂抹耦合剂的情况（如运动件、极端温度环境、复合材料、耦合剂过敏等）有良好的适应性。而使用空气中的超声波激发板状结构中的超声导波和超声导波沿板状结构传播产生泄漏能量时会发生波形转换，导致信号的非线性变化，对于原始信号携带的相位或频率信息产生严重干扰，这让使用传统方法进行解调具有一定难度。此外，在波的传播过程中会发生反射、散射和衍射，这些现象也可能导致非线性干扰。因此，需要一种新的数据传输技术，以克服上述技术困难。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供非接触式超声导波数据传输方法，以解决上述问题。

2、本发明提供的非接触式超声导波数据传输方法，包括

3、s1.利用调制技术将发送数据转化为模拟信号，将其与同步信号拼接后使用发射换能器以超声波的形式在空气中传播；

4、s2.所述超声波以入射角α从空气中入射到中间介质表面，在中间介质中激发出超声导波，在超声导波沿中间介质传播的同时向中间介质周围泄漏能量，所述中间介质为板状结构，超声导波为lamb波、rayleigh波和stoneley波中的一种或两种以上的组合；

5、s3.在中间介质的另一端设置接收换能器，其指向角度为β；接收换能器通过获取泄漏能量作为接收信号，并将其传递给基于智能学习的数据处理方法进行分类和解码，从而获取接收数据。

6、进一步，调制技术为相移键控、频移键控、幅度键控和正交幅度调制方式等，同步信号用于帮助接收端识别接收信号的起始，以此保证接收端可以准确地解析接收信号；

7、其中，每种调制技术在不同环境条件下的传输效率与抗干扰能力各有不同，需根据信道的状况选取最优调制方式，以保证信号的传输效率和抗干扰能力。

8、进一步，发射换能器不与中间介质接触，超声波在空气中传播后抵达中间介质表面发生声能的传递和反射，为了有效地在中间介质中激发出超声导波，超声波的入射角需要满足一定的角度条件，具体的角度要求取决于中间介质的性质和超声导波的特征；

9、其中，超声波的最佳入射角需要根据目标在中间介质中激发的超声导波相速度确定，其符合以下关系：

10、 = c/

11、其中c为空气中超声波的传播速度，为折射到中间介质中的超声导波相速度，为超声波的最佳入射角，实际入射角α应尽可能的接近最佳入射角；最佳入射角能减少多模态信号对于接收端解码复杂程度的影响，同时使激发出的超声导波具有足够高的能量保证接收信号的质量。

12、进一步，接收换能器指向角β的设置需要尽可能保证接收信号的能量强度，指向角β的范围为0度到90度；接收信号的分类与解码使用的基于智能学习的数据处理方法，其是机器学习、集成学习和深度学习中的一种或两种以上的组合；

13、其中，为保证接收信号的能量强度需要接收器指向角β使接收换能器的表面尽可能垂直于泄漏能量的传播方向。

14、本发明还提供非接触式超声导波数据传输系统，包括

15、发送数据根据调制技术转化为模拟信号，在拼接同步信号后以超声波的形式被发射换能器发送到空气中；超声波到达中间介质表面后，在所述中间介质中激发出超声导波，所述发射换能器不与中间介质接触，且中间介质为板状结构，超声导波为lamb波、rayleigh波和stoneley波中的一种或两种以上的组合；超声导波沿中间介质传播，并向中间介质周围泄漏能量，接收换能器获取泄漏能量作为接收信号，并使用基于智能学习的数据处理方法对接收信号进行分类与解码得到接收数据。

16、本发明的有益效果：本发明中的非接触式超声导波数据传输方法及系统，可以利用中间介质作为超声导波数据传输的信道，能够克服超声波在空气中衰减严重无法长距离传输的限制；并且非接触的换能器布局方式对于不适于安装传感器和涂抹耦合剂的情况有良好的适应性；在接收端使用基于智能学习的数据处理方法能够提取不同数据传输环境的特征进行快速学习，使得可以在噪声干扰条件下实现高效解码。

技术特征：

1.非接触式超声导波数据传输方法，其特征在于：包括

2.根据权利要求1所述的非接触式超声导波数据传输方法，其特征在于：步骤s1中，调制技术为相移键控、频移键控、幅度键控和正交幅度调制方式等，同步信号用于帮助接收端识别接收信号的起始，以此保证接收端可以准确地解析接收信号。

3.根据权利要求1所述的非接触式超声导波数据传输方法，其特征在于：步骤s2中，发射换能器不与中间介质接触，超声波信号在空气中传播后抵达中间介质表面发生声能的传递和反射；为了有效地激发超声导波，超声波的入射角需要满足一定的角度条件，具体的角度要求取决于中间介质的性质和超声导波的特征。

4.根据权利要求1所述的非接触式超声导波数据传输方法，其特征在于：步骤s3中，接收换能器指向角β的设置需要尽可能保证接收信号的能量强度，指向角β的范围为0度到90度；接收信号的分类与解码使用的基于智能学习的数据处理方法，其是机器学习、集成学习和深度学习中的一种或两种以上的组合。

5.非接触式超声导波数据传输系统，其特征在于：包括发射换能器和接收换能器，发送数据根据调制技术转化为模拟信号，在拼接同步信号后以超声波的形式被发射换能器发送到空气中；超声波到达中间介质表面后，在所述中间介质中激发出超声导波，所述发射换能器不与中间介质接触，且中间介质为板状结构，超声导波为lamb波、rayleigh波和stoneley波中的一种或两种以上的组合；超声导波沿中间介质传播，并向中间介质周围泄漏能量，接收换能器获取泄漏能量作为接收信号，并使用基于智能学习的数据处理方法对接收信号进行分类与解码得到接收数据。

技术总结本发明涉及非接触式超声导波数据传输方法及系统，包括：编码端获取待发送数据，通过调制技术将其转化为离散峰值序列，利用发射换能器将发送数据以超声波形式发送；超声波信号接触中间介质表面，激发超声导波，所述中间介质为板状结构；超声导波在中间介质中传播时向周围泄漏能量；接收换能器设置于中间介质另一端采集泄漏能量作为接收信号，并通过基于智能学习的数据处理方法解码，得到接收数据；该发明利用板状结构作为中间介质，通过超声导波传递信息，克服了超声波在空气中衰减严重无法长距离传输的限制；非接触式换能器布局保证了在复杂场景下的适应能力，基于智能学习的数据处理方法能够提取不同传输环境的特征，实现噪声干扰下的高效解码。技术研发人员：邹涛,范子川受保护的技术使用者：西南大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18