鄧森洋, 張萬(wàn)里， 彭 斌， 郭珂君， 蔣中東， 曾義紅

(電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610054)

研究與探討

時(shí)域加窗技術(shù)改進(jìn)無(wú)源無(wú)線(xiàn)SAW傳感器測(cè)試研究*

鄧森洋, 張萬(wàn)里， 彭 斌， 郭珂君， 蔣中東， 曾義紅

(電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610054)

無(wú)源無(wú)線(xiàn)聲表面波(SAW)傳感器能工作在十分惡劣的環(huán)境中監(jiān)控溫度、應(yīng)變、扭矩等因素的變化。利用無(wú)線(xiàn)測(cè)試傳感器的群時(shí)延特性能方便地獲得SAW傳感器的諧振頻率。但在一些復(fù)雜的環(huán)境中無(wú)線(xiàn)測(cè)試時(shí)會(huì)遇到環(huán)境反射的問(wèn)題，此時(shí)測(cè)試的群時(shí)延曲線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生畸變，不利于提取SAW傳感器的諧振頻率。利用測(cè)試群時(shí)延特性的方法搭建了測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)測(cè)試結(jié)果使用了時(shí)域加窗技術(shù)。結(jié)果表明:時(shí)域加窗技術(shù)能夠有效抑制環(huán)境反射對(duì)群時(shí)延的影響，這對(duì)于提高無(wú)源無(wú)線(xiàn)SAW傳感器實(shí)際應(yīng)用中的信噪比具有重要的意義。

無(wú)源無(wú)線(xiàn)SAW傳感器; 時(shí)域加窗; 群時(shí)延; 環(huán)境反射

0 引 言

基于聲表面波(SAW)諧振器的無(wú)源無(wú)線(xiàn)傳感器由于具有高Q值、成本低、無(wú)源無(wú)線(xiàn)等特點(diǎn)，可以用于無(wú)線(xiàn)檢測(cè)惡劣環(huán)境中的溫度、應(yīng)變、扭矩、壓強(qiáng)等因素的變化情況[1～5]。收發(fā)系統(tǒng)是無(wú)源無(wú)線(xiàn)SAW傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵之一。激勵(lì)信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)的收發(fā)天線(xiàn)輻射到空間中，傳感器被無(wú)線(xiàn)激勵(lì)后再將傳感器信號(hào)反饋給收發(fā)系統(tǒng)，最后根據(jù)SAW傳感器的時(shí)域、編碼或頻域等特性提取傳感器信息[6～10]。然而實(shí)際應(yīng)用中傳感器周?chē)沫h(huán)境會(huì)對(duì)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生反射[6,11]，此時(shí)收發(fā)系統(tǒng)接收到的信號(hào)不僅有傳感器信號(hào)，還有環(huán)境反射的噪聲信號(hào)，這些噪聲信號(hào)極不利于系統(tǒng)提取傳感器信息。因此，從包含大量噪聲的信號(hào)中提取出傳感器信號(hào)，對(duì)無(wú)源無(wú)線(xiàn)SAW傳感器的應(yīng)用具有重要的意義。

本文基于檢測(cè)群時(shí)延的方法，搭建了無(wú)線(xiàn)SAW傳感器的測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(簡(jiǎn)稱(chēng)矢網(wǎng))無(wú)線(xiàn)測(cè)試了SAW傳感器的諧振頻率，研究了時(shí)域加窗技術(shù)在信號(hào)處理中的作用，結(jié)果表明:該技術(shù)能有效抑制環(huán)境反射噪聲。

1 基本理論和方法

1.1 無(wú)源無(wú)線(xiàn)SAW傳感器測(cè)試系統(tǒng)

SAW傳感器相位在諧振頻率處會(huì)發(fā)生突變，相位的變化率(即群時(shí)延[12])會(huì)在諧振頻率處出現(xiàn)很尖銳的諧振峰。

當(dāng)外界因素(溫度、應(yīng)變等)發(fā)生變化時(shí)，群時(shí)延諧振峰會(huì)發(fā)生相應(yīng)的偏移，因此,可以利用群時(shí)延特性搭建無(wú)源無(wú)線(xiàn)SAW傳感器測(cè)試系統(tǒng)[9,10,13,14]。

本文利用群時(shí)延特性搭建的無(wú)源無(wú)線(xiàn)SAW傳感器的測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示[13,14]。該系統(tǒng)采用矢網(wǎng)端口1產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)功放、隔離器、環(huán)行器后到達(dá)探測(cè)天線(xiàn)輻射出去。SAW傳感器接收到空間中的激勵(lì)信號(hào)后再利用傳感天線(xiàn)輻射回波信號(hào)。探測(cè)天線(xiàn)接收到回波信號(hào)后經(jīng)過(guò)環(huán)行器、衰減器進(jìn)入矢網(wǎng)端口2。最后計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理矢網(wǎng)測(cè)量的S21群時(shí)延數(shù)據(jù)。

圖1 無(wú)源無(wú)線(xiàn)SAW傳感器測(cè)試系統(tǒng)

本文測(cè)試的SAW傳感器在室溫下諧振頻率為433.92 MHz，矢網(wǎng)的頻率掃描寬度為10 MHz，掃描點(diǎn)數(shù)為1601個(gè)。當(dāng)環(huán)境反射比較弱時(shí)系統(tǒng)測(cè)得的群時(shí)延曲線(xiàn)如圖2所示，群時(shí)延曲線(xiàn)存在一個(gè)很尖銳的諧振峰，該峰對(duì)應(yīng)的頻率即是SAW傳感器的諧振頻率[9,10,13,14]。

圖2 正常情況下群時(shí)延曲線(xiàn)

圖3 三種嚴(yán)重畸變的群時(shí)延曲線(xiàn)

但在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)試環(huán)境經(jīng)常難以預(yù)料，并且比較復(fù)雜，存在很多的噪聲源，比如，探測(cè)天線(xiàn)發(fā)射出去的電磁波往往受到周?chē)鷱?fù)雜環(huán)境的反射而又被探測(cè)天線(xiàn)接收，這種不希望的噪聲信號(hào)和傳感器信號(hào)一同進(jìn)入到分析儀器，極大地降低了系統(tǒng)信噪比，使其難以從測(cè)試信號(hào)中提取傳感器信號(hào)。本文在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)移動(dòng)測(cè)試環(huán)境中的金屬背景來(lái)模擬實(shí)際的復(fù)雜測(cè)試環(huán)境，發(fā)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)測(cè)試SAW傳感器時(shí)主要遇到三種畸變的群時(shí)延情形，如圖3所示。圖3(a)～(c)分別是群時(shí)延曲線(xiàn)在諧振峰處、諧振峰右側(cè)、諧振峰左側(cè)發(fā)生嚴(yán)重畸變的情形。

由圖3可知，金屬背景反射引入的噪聲使得群時(shí)延曲線(xiàn)發(fā)生了畸變，諧振峰附近出現(xiàn)了很寬的波峰或波谷。比較嚴(yán)重的情形是波谷正好出現(xiàn)在SAW器件的諧振峰處，如圖3(a)所示，此時(shí)計(jì)算機(jī)測(cè)試程序很容易誤判諧振頻率。由于波峰或波谷位置與諧振峰位置很接近，并且隨著外界待測(cè)物理量的變化，SAW器件的諧振峰會(huì)左右偏移，因此,很難在頻域內(nèi)加窗來(lái)消除環(huán)境反射的影響。

1.2 時(shí)域加窗技術(shù)

在信號(hào)處理中，對(duì)無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)域信號(hào)有限化的過(guò)程即為時(shí)域加窗。矢網(wǎng)測(cè)得的曲線(xiàn)是連續(xù)掃頻的結(jié)果，利用離散傅里葉逆變換(IDFT)將其變換至?xí)r域后，選擇合適的窗函數(shù)在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行截取，最后再利用離散傅里葉變換(DFT)將其變換至頻域，這便是矢網(wǎng)的時(shí)域加窗技術(shù)。采用這種技術(shù)可以消除許多非期望的反射、散射信號(hào)[15～17]。

離散傅里葉正反變換定義如下[18]

其中,WN=e-j2π/N為離散傅里葉變換隱含周期性，周期為N。

常用的窗函數(shù)主要有：矩形窗、漢寧窗、哈明窗、凱澤窗等[18]。由于在無(wú)源無(wú)線(xiàn)SAW傳感器測(cè)試系統(tǒng)中只需得到諧振峰對(duì)應(yīng)的諧振頻率大小，不考慮諧振峰的幅值精度，為了簡(jiǎn)化處理過(guò)程，僅需采用最簡(jiǎn)單的矩形窗進(jìn)行截取即可，矩形窗定義如下[18]

其中，P為起始點(diǎn)，Q為終止點(diǎn)。

1.3 時(shí)域加窗處理方法

為了消除環(huán)境反射引入的噪聲信號(hào)，本文采用時(shí)域加窗的方法對(duì)測(cè)試得到的群時(shí)延曲線(xiàn)進(jìn)行處理。其具體過(guò)程為：

1)利用IDFT將圖3(a)所示的群時(shí)延曲線(xiàn)變換至?xí)r域，結(jié)果如圖4所示。由于采樣因素，時(shí)域信號(hào)出現(xiàn)左右對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)信號(hào)[16]。環(huán)境反射引入的噪聲使得群時(shí)延在起始時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)尖峰信號(hào)，它的幅值比傳感器信號(hào)的幅值大許多，此時(shí)能很清晰地區(qū)分環(huán)境反射噪聲和傳感器信號(hào)。

2)環(huán)境反射對(duì)回波信號(hào)的影響主要出現(xiàn)在時(shí)域信號(hào)前幾百納秒至幾微秒內(nèi)，因此，只需將起始時(shí)間內(nèi)的尖峰信號(hào)截取掉，即可消除它的影響[6,11]。本文選擇矩形窗截取群時(shí)延的時(shí)域信號(hào)，如圖4所示，僅保留虛線(xiàn)矩形框內(nèi)群時(shí)延的時(shí)域信號(hào)。

3)將圖4中虛線(xiàn)矩形框內(nèi)群時(shí)延的時(shí)域信號(hào)通過(guò)DFT變換至頻域，結(jié)果如圖5(a)所示。采用相同的方法，對(duì)于圖3(b)，(c)所示的測(cè)試結(jié)果經(jīng)時(shí)域加窗處理后的結(jié)果分別如圖5(b)，(c)所示。

圖4 時(shí)域內(nèi)的群時(shí)延曲線(xiàn)

對(duì)比圖3和圖5可知，經(jīng)過(guò)時(shí)域加窗處理以后，群時(shí)延曲線(xiàn)中諧振峰附近不再含有環(huán)境反射噪聲引入的波峰或波谷，此時(shí)計(jì)算機(jī)測(cè)試程序能夠很容易地跟蹤群時(shí)延最大值，從而確定諧振頻率。這表明時(shí)域加窗技術(shù)能夠有效抑制環(huán)境反射對(duì)群時(shí)延的影響，運(yùn)用該技術(shù)的無(wú)源無(wú)線(xiàn)SAW傳感器測(cè)試系統(tǒng)可以幫助傳感器工作在更加惡劣、復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地提取出傳感器的諧振頻率信息。

圖5 時(shí)域加窗處理后群時(shí)延曲線(xiàn)

2 結(jié) 論

本文基于測(cè)試群時(shí)延的方法搭建了SAW傳感器的無(wú)線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)，研究了時(shí)域加窗技術(shù)對(duì)提高系統(tǒng)信噪比的作用。測(cè)試結(jié)果表明：在無(wú)線(xiàn)測(cè)量過(guò)程中環(huán)境反射噪聲使得群時(shí)延曲線(xiàn)發(fā)生畸變，不利于計(jì)算機(jī)測(cè)試程序自動(dòng)提取SAW傳感器的諧振頻率。而采用時(shí)域加窗技術(shù)處理后的結(jié)果表明：時(shí)域加窗技術(shù)能有效抑制環(huán)境反射對(duì)SAW無(wú)線(xiàn)傳感器群時(shí)延的影響，明顯改善傳感器群時(shí)延曲線(xiàn)，有利于計(jì)算機(jī)測(cè)試程序?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地獲得傳感器諧振頻率提取傳感信息。因此，將時(shí)域加窗技術(shù)運(yùn)用在無(wú)源無(wú)線(xiàn)SAW傳感器測(cè)試系統(tǒng)中有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Research on time domain windowing technique in improving passive wireless SAW sensor measurement*

DENG Sen-yang， ZHANG Wan-li， PENG Bin， GUO Ke-jun， JIANG Zhong-dong， ZENG Yi-hong

( State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China)

Wireless passive surface acoustic wave(SAW)sensor can be operated in very harsh environment to monitor change of temperature,strain,torque and other factors.The resonant frequency of SAW sensor can be obtained by group delay characteristics of wireless measuring sensor.However,unexpected environmental reflection problem will occur in wireless measurement in some complex environments, which results in measured group delay curve becomes distorted and it is difficult to extract resonant frequency of SAW sensor.Measurement system is set up by measuring the group delay characteristics of the SAW sensor,and time domain windowing technique has been applied to correct the measurement results.The results show that influence of environmental reflection on group delay can be effectively suppressed by using time domain windowing technique, which is important to improve the signal noise ratio in practical application of passive wireless SAW sensor.

passive wireless SAW sensor; time domain windowing; group delay; environmental reflection

10.13873/J.1000—9787(2015)03—0008—03

2014—07—17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61223002)

TN 98

A

1000—9787(2015)03—0008—03

鄧森洋(1990-)，男，四川巴中人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)。