水下無線電能與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)的信道模型的建模方法 技術(shù)領(lǐng)域 [0001] 本發(fā)明涉及供電電路系統(tǒng)及電通信技術(shù)領(lǐng)域。 背景技術(shù) [0002] 在水下進(jìn)行無線充電的過程中通常需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以實(shí)現(xiàn)無線充電系統(tǒng)的閉環(huán)控制和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測。相較于傳統(tǒng)的WIFI、聲學(xué)、光學(xué)等通信方式，基于磁場耦合的無線電能與數(shù)據(jù)同步傳輸技術(shù)具有傳輸延時(shí)低、傳輸可靠、集成度高等優(yōu)勢，是目前研究的主流方向。 [0003] 目前水下無線電能與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸電路在設(shè)計(jì)時(shí)是沿用在空氣環(huán)境中建立的信道模型，而在空氣環(huán)境中建立信道模型時(shí)主要是針對數(shù)據(jù)載波為低頻的場景，近似認(rèn)為由數(shù)據(jù)載波引起的線圈等效電阻和電能載波引起的線圈等效電阻相等。但是，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，這種沿用空氣環(huán)境中建立的信道模型的方式，忽略了海水環(huán)境與空氣環(huán)境的區(qū)別、低頻電能載波和高頻數(shù)據(jù)載波所引起的線圈等效電阻的差別對建模精度的影響。 [0004] 一方面，海水具有導(dǎo)電性，而空氣的電導(dǎo)率接近于0。因此，在水下進(jìn)行無線電能和數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)倪^程中，線圈激勵(lì)出的交變電磁場會(huì)在海水中產(chǎn)生渦流損耗，若在建模時(shí)忽略該渦流損耗，則會(huì)導(dǎo)致建立的信道模型不準(zhǔn)確，從而使得水下無線電能與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)偏差。 [0005] 另一方面，因海水而產(chǎn)生的渦流損耗不僅與線圈中的電流大小有關(guān)，還與水下無線電能與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)的工作頻率有關(guān)。水下無線電能與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)的線圈電流中除了有電能載波之外，還有數(shù)據(jù)載波，當(dāng)需要提高水下通信速率時(shí)，就要增大數(shù)據(jù)載波頻率，此時(shí)數(shù)據(jù)載波頻率與電能載波頻率相差較大，這兩種載波引起的線圈等效電阻值會(huì)有明顯區(qū)別，如果仍然采用電能載波引起的線圈等效電阻來等效數(shù)據(jù)載波引起的線圈等效電阻，信道模型的建模將會(huì)不準(zhǔn)確，從而使得水下無線電能與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)偏差。 發(fā)明內(nèi)容 [0006] 為了解決現(xiàn)有的建模方法忽略了海水環(huán)境與空氣環(huán)境的區(qū)別、低頻電能載波和高頻數(shù)據(jù)載波所引起的線圈等效電阻的差別對建模精度的影響而導(dǎo)致信道模型的建模不準(zhǔn)確，致使水下無線電能與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)偏差的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種水下無線電能與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)的信道模型的建模方法。 [0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是： [0008] 水下無線電能與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)的信道模型的建模方法，所述水下無線電能與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)包括電能傳輸電路和數(shù)據(jù)傳輸電路；所述電能傳輸電路包括逆變器、原邊補(bǔ)償電路、由原邊線圈和副邊線圈構(gòu)成的耦合器、副邊補(bǔ)償電路和整流器；所述數(shù)據(jù)傳輸電路包括數(shù)據(jù)調(diào)制電路、數(shù)據(jù)注入電路、所述耦合器、數(shù)據(jù)提取電路和數(shù)據(jù)解調(diào)電路； [0009] 其特殊之處在于，所述建模方法包括以下步驟： [0010] 步驟1：計(jì)算數(shù)據(jù)載波對應(yīng)的原邊線圈和副邊線圈的等效電阻； [0011] 步驟1.1計(jì)算線圈在海水介質(zhì)中激發(fā)的電場強(qiáng)度； [0012] 將線圈視為多個(gè)同心載流環(huán)，利用疊加定理得到原邊線圈和副邊線圈在海水介質(zhì)中激發(fā)的電場強(qiáng)度為： [0013] [0014] [0015] 式中， [0016] 和 分別為原邊線圈和副邊線圈在海水介質(zhì)中激發(fā)的電場強(qiáng)度； [0017] 和 分別為原邊線圈和副邊線圈的總匝數(shù)； [0018] 和 分別為原邊線圈中的第 匝和副邊線圈中的第 匝在海水介質(zhì)中激發(fā)的電場強(qiáng)度，均基于單個(gè)載流環(huán)處于海水介質(zhì)中時(shí)激發(fā)的電場強(qiáng)度通解計(jì)算；所述電場強(qiáng)度通解為： [0019] [0020] 式中，為虛數(shù)單位，為線圈中的交流電頻率， 為海水磁導(dǎo)率， 為載流環(huán)半徑，為載流環(huán)電流， 為分離常數(shù)， 為第一類一階貝塞爾函數(shù)， 和 為柱坐標(biāo)，為空間波數(shù)，為自然常數(shù)， 為單位周向矢量； [0021] 步驟1.2計(jì)算數(shù)據(jù)載波對應(yīng)的原邊線圈和副邊線圈的渦流損耗等效電阻： [0022] ???? [0023] ???? [0024] 式中， [0025] 為數(shù)據(jù)載波頻率； [0026] 和 分別為數(shù)據(jù)載波對應(yīng)的原邊線圈和副邊線圈的渦流 損耗等效電阻； [0027] 為海水電導(dǎo)率； [0028] 為渦流損耗發(fā)生區(qū)域； [0029] 和 分別為原邊線圈和副邊線圈上的電流； [0030] 步驟1.3計(jì)算數(shù)據(jù)載波對應(yīng)的原邊線圈和副邊線圈的等效電阻： [0031] [0032] [0033] 式中， 和 分別為數(shù)據(jù)載波對應(yīng)的原邊線圈和副邊線圈的等效電阻； 和 分別為數(shù)據(jù)載波對應(yīng)的原邊線圈和副邊線圈的交流電阻； [0034] 步驟2：基于步驟1得到的原邊線圈和副邊線圈的等效電阻 和 ，建立所述信道模型的數(shù)學(xué)模型。 [0035] 進(jìn)一步地，步驟2具體為：

1.水下無線電能與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)的信道模型的建模方法，所述水下無線電能與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)包括電能傳輸電路和數(shù)據(jù)傳輸電路；所述電能傳輸電路包括逆變器、原邊補(bǔ)償電路、由原邊線圈和副邊線圈構(gòu)成的耦合器、副邊補(bǔ)償電路和整流器；所述數(shù)據(jù)傳輸電路包括數(shù)據(jù)調(diào)制電路、數(shù)據(jù)注入電路、所述耦合器、數(shù)據(jù)提取電路和數(shù)據(jù)解調(diào)電路；所述信道模型指水下無線電能與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸通道的數(shù)學(xué)模型； 其特征在于，所述建模方法包括以下步驟： 步驟1：計(jì)算數(shù)據(jù)載波對應(yīng)的原邊線圈和副邊線圈的等效電阻； 步驟1.1計(jì)算線圈在海水介質(zhì)中激發(fā)的電場強(qiáng)度； 將線圈視為多個(gè)同心載流環(huán)，利用疊加定理得到原邊線圈和副邊線圈在海水介質(zhì)中激發(fā)的電場強(qiáng)度為： 式中， 和 分別為原邊線圈和副邊線圈在海水介質(zhì)中激發(fā)的電場強(qiáng)度； 和 分別為原邊線圈和副邊線圈的總匝數(shù)； 和 分別為原邊線圈中的第 匝和副邊線圈中的第 匝在海水介質(zhì)中激發(fā)的電場強(qiáng)度，均基于單個(gè)載流環(huán)處于海水介質(zhì)中時(shí)激發(fā)的電場強(qiáng)度通解計(jì)算；所述電場強(qiáng)度通解為： 式中，為虛數(shù)單位， 為線圈中的交流電頻率，為海水磁導(dǎo)率， 為載流環(huán)半徑，為載流環(huán)電流，為分離常數(shù)， 為第一類一階貝塞爾函數(shù)，和 為柱坐標(biāo)，為空間波數(shù)，為自然常數(shù)， 為單位周向矢量； 步驟1.2計(jì)算數(shù)據(jù)載波對應(yīng)的原邊線圈和副邊線圈的渦流損耗等效電阻： 式中， 為數(shù)據(jù)載波頻率； 和 分別為數(shù)據(jù)載波對應(yīng)的原邊線圈和副邊線圈的渦流損耗 等效電阻； 為海水電導(dǎo)率； 為渦流損耗發(fā)生區(qū)域； 和 分別為原邊線圈和副邊線圈上的電流； 步驟1.3計(jì)算數(shù)據(jù)載波對應(yīng)的原邊線圈和副邊線圈的等效電阻： 式中， 和 分別為數(shù)據(jù)載波對應(yīng)的原邊線圈和副邊線圈的等效電阻； 和 分別為數(shù)據(jù)載波對應(yīng)的原邊線圈和副邊線圈的交流電阻； 步驟2：基于步驟1得到的原邊線圈和副邊線圈的等效電阻 和 ，建立所 述信道模型的數(shù)學(xué)模型；