EMAT技术在金属信道中的应用

    王硕

    摘 要 ：本文根据近年来利用超声波穿过金属通信技术构成射频、超声混合局域网的研究情况，对通信用电磁声换能器EMAT（Electromagnetic Acoustic Transducer）技术在金属信道通信中的应用研究进行了分析介绍。

    关键词：船舶内部通信 超声波通信 电磁声换能器

    船舶及其装备的金属结构对船舶内部无线网络应用的可靠性、快速部署与恢复、部署费用等都有着极大的影响。水密、气密、耐压、防化学、核泄漏等工程的要求，也很难接受在金属外壁上打孔布线，破坏其金属结构的完整性。近年来利用超声波进行有效、实用的穿过金属通信研究取得了显著的成果，这使得无损地穿过金属结构进行通信成为可能。

    利用超声波进行穿过金属通信，长期没有有效、实用的产品出现。从技术上讲，存在着两个关键性的问题：一是要能有效、可靠和实用地进行超声转换；二是要能有效克服金属信道固有的，由边界反射造成的多径失真，以较高的数据率传送信息。

    EMAT换能技术

    在耦合良好的情况下压电式超声换能器转换效率高，这对于此发彼收的通信应用来说是有利的。但要做到“耦合良好”，不仅要去除金属表面原有的涂敷层（如油漆）、氧化物等，还要求金属表面有一定的光滑度，而且还要使用耦合剂，如油脂、软膏、水等，在穿过金属通信研究中则多使用凝胶、环氧树脂。然而，在快速部署中未必能进行金属表面预处理；在震动或高温（超过300℃）环境下粘合也很可能脱开；而粘合剂较长的固化时间也不适合于快速部署。所以应寻找一种适合通信应用的超声换能器。

    60年代末开始兴起的电磁声换能器EMAT（Electromagnetic Acoustic Transducer）技术与压电式超声换能器技术的耦合机制完全不同，它是一种非接触式的超声换能技术。在经过了近50年的不懈努力后，已逐步进人了工业应用阶段，但其应用领域还仅限于材料检测。

    近几年来，人们开始在穿过金属通信的研究中采用EMAT技术，并取得了通过80mm厚的钢制墙，数据传输速率达1Mbits/s的测试结果。

    1、EMAT的构造和工作原理

    EMAT由永久磁铁和射频激励线圈组成。此种换能器通过一种Lorentz力、磁化力和磁致伸缩效应（磁弹性）的组合作用，直接在导电材料表面的内部，引起与激励磁场同频率的震荡而产生超声波。通过与此相反的过程，则可在接收端将声波转换为电信号。通过人为地设计线圈与静态磁场的相对方位，EMAT还可以改变导电材料表面的受力方向，从而产生不同类型的超声波。

    EMAT产生声波的具体机制较为复杂，综合目前的研究文献：对于非铁磁材料（如铜、铝等），Lorentz 力是唯一的机制；而当金属是铁磁体时，三种机制都起作用，一般情况下磁致伸缩机制占优势，且磁致伸缩机制产生横波的效率远高于产生纵波的效率（可高约100倍）。因此实际应用的EMAT应采取产生径向极化横波的配置。

    2、.EMAT提离对性能的影响

    EMAT提离（liftoff）对其性能的影响，各研究团队从不同的研究角度进行了测试分析；对金属表面非导电层的影响则给予了忽略，完全视为提离的一部分。有实验显示，通信应用时，即使有大体上1mm的提离，EMAT传输的信号强度也只下降到与金属壁密切接触最大值的80% 。有研究团队声称，当EMAT提离距离达7 mm时（如是发射可达10mm），仍能维持穿过厚钢制舱壁的，较高速率的数据传输。

    3、EMAT的应用优势与不足

    EMAT可以不直接接触导电表面工作，这就避免了由于耦合剂、覆盖层和金属壁之间阻抗失配而引起的任何问题，这是它的突出优势，甚至使它成为在某些情况下唯一可以应用的换能器。另外，永久磁铁还提供了一种可进行机械固定和轴向对准的机制，即它可以吸附在铁磁性金属的表面工作。这些优势使得EMAT可以迅速部署到金属壁表面。有研究团队声称，在典型的应用下，部署一个EMAT系统只需数分钟。

    还有一个很特别的地方是，横波不能在粘性流体如空气和水中传播，因此，声波被限制于金属的局部区域，可防止外部的侦测。这对于军事应用是有一定意义的。

    EMAT的主要缺点是相对于充分耦合的压电换能器来说换能效率低，对于通信来说，这会恶化信道，加重多径失真，但也并不是低得无法接受，成功地穿过金属通信已给予了证明。所以在EMAT激励线圈中心频率的选择上，虽然较高的频率选择可提供更大的带宽，但却开支了更大的传输损耗，为了使系统的信噪比最大化，实际应用时就要对各种因素进行平衡。

    脉冲位置调制快速部署声网关系统

    根据不同的需求，选择合适的通信技术来克服金属信道传 输中固有的多径干扰，实现可靠通信是相关研究中另一个主攻方向。这里介绍的EMAT和脉冲位置调制（PPM）相结合的快速部署声网关演示系统，是英国的研究团队专为未来可穿过海军舰艇舱壁的无线传感器网络信息流量而设计的。对这种数据速率的系统，脉冲位置调制是非常有吸引力的，因为：①对于一给定材料，如果已知传播速度和衰减，就有可能确定最坏情况的多径参数。因此，选择一个适当的保护间隔就可以保证消除码间干扰；②实现简单：印刷电路板可小型化且器件成本可以保持在最低限度；③功率效率高：对于较低数据速率，由于发射占空比低，此方案远比连续波调制功率效率高；④接收机低功率：接收机没有复杂的信号处理或不需要其他的计算，功率需求降到最低。这种低成本，低功耗的硬件装置很适合应用于数据速率低的传感器网络。

    由于必要的保护时间，该系统的数据速率被限制在50kbps。

    1、声网关演示系统构成概要

    图3是一个系统级的框图，它突出了声网关演示系统的主要部分。网关的两个单元必须在金属舱壁的两边被正确、充分地对准，排直。

    2、现场测试结果与讨论

    第一个ping测试在35 -- 44mm不同厚度的墙壁上进行，平均有1 / 1000的测试失败。很明显，表面涂层的变化不影响网关的性能，正如预期的那样。到72mm墙时，测试结果显示有110 / 1000的失败，测试者认为这仅是由于发射功率有限的原因。最后的测试在一个10mm厚钢墙上的两个位置来进行。一个彻底失败；一个中度的丢包。测试者认为从相同钢板的不同位置获得的脉冲响应性质的不一致表明，10mm材料在显微结构上存在不规则的间断。很明显，金属的构成会阻碍网关通信方案的有效实施。

    结语

    采用EMAT换能器是实用化穿过金属通信中的一个重大进步。如采用EMAT与QPSK调制和判决反馈均衡器（DFE）结合，则可实现超过1Mbps数据速率的高速方案。采用OFDM调制技术，其数据速率可超过10Mbps。另外，人们还对在无法进行外部供电和更换电池的情况下，向金属壁另一侧的无线网关传输电力的问题进行了有成效的研究。

    （作者单位：中国船舶重工集团公司第七二二研究所）