Page 197 - 《应用声学》2025年第3期

第 44 卷 第 3 期 杨超等： 基于电磁 -压电混合结构的超声波穿金属通信系统 731

其中，f s 表示载波频率，k 表示每个码元携带的载 衡图像进行对比，可以看出，未均衡图像包含较多的
波数。从表 2 中可以看出，随着通信速率的提高， 噪声，而均衡后恢复的图像具有较好的恢复效果，通
误码率逐渐增大。实际测试中发现，系统可以接 过图像处理软件计算图像相似度，直接恢复的图像
受的误码率上限大约为 3.1%，即当通信速率大于 与原始图像的相似度为 64.3%，DFE 优化后恢复的
100 kbit/s时，接收端基本无法恢复图像。 图像与原始图像相似度为94.02%。
当通信速率为 100 kbit/s 时的图像测试结果如 以上实验结果可以表明，搭建实用的电磁 -压
图16所示，将接收端的恢复图像与原始图像和未均 电混合结构超声波通信系统是可行的，该系统与
压电式的超声波通信系统相比，最大的优势是可以
表 2 通信速率对误码率的影响
Table 2 Effect of communication rate on 在不接触金属介质的前提下进行超声波的传输，这
bit error rate 往往是更符合现实需求的。表3 为本文工作与其他
团队的研究成果的对比，通过表 3 中文献对比可以
通信速率/(kbit·s −1 ) 接收比特数 错误比特数 误码率/%
50 1.6 × 10 6 4.2068 × 10 4 2.6293 发现，各研究团队使用振幅键控 (Amplitude shift
55 1.6 × 10 6 4.4472 × 10 4 2.7795 keying, ASK) 调制方式时，通信传输速率都在几十
60 1.6 × 10 6 4.6389 × 10 4 2.8993 kbit/s，且大部分都使用 PUT 作为收发换能器。特
70 1.6 × 10 6 4.7820 × 10 4 2.9888
别的，当把 EMAT 用于超声波通信时，由于其较大
80 1.6 × 10 6 4.8259 × 10 4 3.0131
的功率要求和较差的信号质量，两个研究团队均采
100 1.6 × 10 6 4.9651 × 10 4 3.1032
用了信号发生器和功率放大器等实验室仪器。本文
125 1.6 × 10 6 5.4890 × 10 4 3.4306
166 1.6 × 10 6 5.5294 × 10 4 3.4559 通过 FPGA 来进行数字调制、解调和回波消除，并
250 1.6 × 10 6 5.6054 × 10 4 3.5034 实现了100 kbit/s的通信速率。

(a) Ԕݽڏϸ (b) ᄰଌূܭڏϸ (c) DFE͖ӑূܭڏϸ
图 16 测试图像
Fig. 16 Test image

表 3 各研究团队数据比较
Table 3 Comparison of data between research teams

研究团队 时间 收发换能器 介质 波型 中心频率 调制方式 传输速率
2006 PUT→PUT 钢 纵波 1 MHz ASK 500 bit/s
Saulnier [7−8]
2007 PUT→PUT 钢 纵波 1 MHz ASK 55 kbit/s
2007 PUT→PUT 铝 纵波 741 kHz ASK 1 kbit/s
Zhang [5−6]
2008 PUT→PUT 铝 纵波 3 MHz ASK 1 kbit/s
2009 EMAT→EMAT 钢 横波 1 MHz PAM 40 kbit/s
Graham [9−11]
2011 EMAT→EMAT 钢 横波 1 MHz QPSK 1 Mbit/s
2018 EMAT→PUT 钢 兰姆波 390 kHz ASK 2.5 kbit/s
Huang [25−27] 2018 EMAT→PUT 钢 兰姆波 414 kHz ASK 40 kbit/s
2022 EMAT→PUT 钢 兰姆波 700 kHz PSK 10 kbit/s
本文 2024 EMAT→PUT 铝 横波 500 kHz OOK 100 kbit/s