Saw傳感器多路異步反射信號(hào)讀取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于聲表面波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種能高效、大量地同時(shí)讀取多路SAW 傳感器異步反射信號(hào)的SAW傳感器多路異步反射信號(hào)讀取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] SAW(Surface Acoustic Wave，聲表面波）傳感器即表面聲波傳感器，它是基于聲 表面波技術(shù)的一種應(yīng)變傳感器，因無(wú)源無(wú)線工作、穩(wěn)定性好、靈敏度高、體積小、重量輕、可 工作在惡劣環(huán)境中等一系列優(yōu)點(diǎn)，是處于惡劣環(huán)境中的武器裝備、工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè) 的理想選擇，自上世紀(jì)八十年代以來(lái)一直被廣泛研究，在已經(jīng)發(fā)表的技術(shù)文獻(xiàn)和專(zhuān)利中，報(bào) 道了采用SAW器件實(shí)現(xiàn)傳感器的各種方法。SAW傳感器是將閱讀器的詢(xún)問(wèn)射頻脈沖轉(zhuǎn)換成 SAW，SAW在傳感器基片上傳播時(shí)感測(cè)敏感信息，最終又被轉(zhuǎn)換成電磁信號(hào)反射回閱讀器，閱 讀器從反射信號(hào)中提取敏感信息。
[0003] 因 SAW傳感器完全被動(dòng)工作，在多傳感器環(huán)境中閱讀器接收到的是詢(xún)問(wèn)范圍內(nèi)所 有SAW傳感器標(biāo)簽反射信號(hào)的異步疊加，這造成對(duì)每個(gè)SAW傳感器標(biāo)簽信息的讀取非常困 難。目前實(shí)際可用的SAW傳感器多路讀取方法包括時(shí)分復(fù)用（TDM)、頻分復(fù)用(FDM)、空分多 址(SDMA)，但因 SAW傳感器標(biāo)簽基片長(zhǎng)度、系統(tǒng)允許帶寬的限制，TDM、FDM方法可同時(shí)讀取的 SAW傳感器標(biāo)簽數(shù)量有限，而SDMA方法僅能應(yīng)用在具有多個(gè)獨(dú)立電磁隔離空間的特殊環(huán)境 中，且每個(gè)獨(dú)立空間SAW傳感器的多路讀取仍須采用其他方法。現(xiàn)有的多路讀取方法不能滿 足SAW傳感器系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的需求。
[0004] 美國(guó)中佛羅里達(dá)州大學(xué)電力工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系2004年提出的正交頻率編碼 (0FC)技術(shù)同時(shí)利用時(shí)間和頻率的多樣性，在有限的時(shí)間和帶寬內(nèi)為SAW傳感器提供了豐富 的編碼信號(hào)，但基于0FC的SAW傳感器系統(tǒng)目前仍是采用TDM方法實(shí)現(xiàn)多路讀取。
[0005] 因此，現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題是:在多傳感器環(huán)境中，閱讀器接收到的SAW傳感器標(biāo) 簽反射信號(hào)的異步特性造成對(duì)每個(gè)SAW傳感器標(biāo)簽信息讀取的困難，可同時(shí)讀取的SAW傳感 器標(biāo)簽數(shù)量有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種SAW傳感器多路異步反射信號(hào)讀取方法，能高效、大量 地同時(shí)讀取多路SAW傳感器的異步反射信號(hào)。
[0007] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種SAW傳感器多路異步反射信號(hào)讀取方法， 包括如下步驟：
[0008] (10)信號(hào)接收:接收確定距離范圍內(nèi)多個(gè)時(shí)間延拓0FC信號(hào)，經(jīng)下變頻后進(jìn)行采樣 記錄，該時(shí)間延拓0FC信號(hào)為SAW傳感器標(biāo)簽的異步反射疊加信號(hào)；
[0009] (20)基本長(zhǎng)度時(shí)間窗選取:在接收到的異步反射疊加信號(hào)不同碼片時(shí)間范圍內(nèi)分 別選擇基本長(zhǎng)度的時(shí)間窗；
[0010] (30)幅度相位測(cè)量:測(cè)量不同時(shí)間窗內(nèi)相同中心頻率碼片信號(hào)疊加后的幅度和相 位；
[0011] (40)幅度延時(shí)計(jì)算:通過(guò)解反應(yīng)疊加信號(hào)測(cè)量值與每個(gè)SAW傳感器標(biāo)簽反射信號(hào) 關(guān)系的方程組，計(jì)算出每個(gè)反射信號(hào)的幅度和延時(shí)；
[0012] (50)編碼識(shí)別：通過(guò)每個(gè)反射信號(hào)幅度計(jì)算值與設(shè)定閾值的比較，確定相應(yīng)編碼 的SAW傳感器是否在閱讀范圍內(nèi)；
[0013] (60)敏感信息提取:根據(jù)每個(gè)傳感器標(biāo)簽反射信號(hào)參數(shù)與敏感信息的關(guān)系，提取 敏感信息。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：
[0015] 1、讀取效率高:本發(fā)明利用相同中心頻率正弦波異步疊加后中心頻率不變，整數(shù) 周期長(zhǎng)度的時(shí)間窗內(nèi)不同中心頻率正弦波保持正交特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同中心頻率異步疊加信 號(hào)分別測(cè)量，并且將SAW傳感器標(biāo)簽信息的讀取轉(zhuǎn)換為解方程組，提高了 SAW傳感器多路讀 取的效率；
[0016] 2、讀取數(shù)量大:本發(fā)明方法能夠同時(shí)讀取的SAW傳感器標(biāo)簽數(shù)量將與SAW傳感器標(biāo) 簽反射柵可選中心頻率的平方成比例關(guān)系，與現(xiàn)有方法相比數(shù)量顯著提高。
[0017] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為本發(fā)明SAW傳感器多路異步反射信號(hào)讀取方法流程圖。
[0019 ]圖2為本發(fā)明中時(shí)間延拓0FC信號(hào)示意圖。
[0020]圖3為多SAW傳感器環(huán)境示意圖。
[0021]圖4為多個(gè)時(shí)間延拓OFC SAW傳感器標(biāo)簽異步反射信號(hào)示意圖。
[0022]圖5為圖4所不時(shí)間窗內(nèi)相同中心頻率置加彳目號(hào)的幅頻、相頻曲線不意圖。
[0023] 圖6為本發(fā)明中多SAW傳感器異步反射信號(hào)讀取方法計(jì)算機(jī)仿真測(cè)試流程圖。
[0024] 圖7為本發(fā)明一次計(jì)算機(jī)仿真測(cè)試中閱讀器接收到的異步疊加信號(hào)及時(shí)間窗選擇 位置示意圖。
[0025] 圖8為本發(fā)明一次計(jì)算機(jī)仿真測(cè)試中隨機(jī)選擇的標(biāo)簽(8a)及在閱讀器計(jì)算得到的 每個(gè)標(biāo)簽反射信號(hào)幅度(8b)和延時(shí)(8c)的示意圖。
[0026] 圖9為本發(fā)明所述方法的SAW傳感器多路異步反射信號(hào)讀取系統(tǒng)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 如圖1所示，本發(fā)明SAW傳感器多路異步反射信號(hào)讀取方法，其包括如下步驟：
[0028] (10)信號(hào)接收:接收確定距離范圍內(nèi)多個(gè)時(shí)間延拓0FC信號(hào)(0FC，正交頻率編碼）， 經(jīng)下變頻后進(jìn)行采樣記錄，該時(shí)間延拓0FC信號(hào)為SAW傳感器標(biāo)簽的異步反射疊加信號(hào)；
[0029] 所述(10)信號(hào)接收步驟中，時(shí)間延拓0FC信號(hào)由N-1個(gè)不同中心頻率的碼片信號(hào)組 成，其時(shí)域數(shù)學(xué)模型為： 婦. (t -τ' t 1) .「 η
[0030] ·Γ6<:? --- ·ε〇8[2π/^(/-τρΑ)] ^"chip J
[0031] 其中， ./、i> U| < -
[0032] rect〇c)- 11 2， 0,其它
[0033] 式中，N表示碼片可選中心頻率的數(shù)量，一個(gè)OFC信號(hào)可由其中N-l個(gè)頻率排列唯一 確定，編碼容量為N!;
[0034] ak表示第k個(gè)碼片信號(hào)的幅度，ke{l，2，'"，N_l};
[0035] ipk表示每個(gè)編碼信號(hào)第k個(gè)碼片與第1個(gè)碼片相比的延時(shí)差；
[0036] fchiPk表示第k個(gè)碼片的中心頻率；
[0037] 每個(gè)碼片的中心頻率fchiPk = n · fo，其中η為整數(shù)，且n e {1，2，…，N}，f〇稱(chēng)為基波 頻率。如果一個(gè)0FC信號(hào)第k個(gè)碼片中心頻率為nk · fo,則該0FC信號(hào)的編碼為m,n2,...,n(N-1);
[0038] ichip表示每個(gè)碼片的時(shí)間長(zhǎng)度；
[0039] 每個(gè)碼片時(shí)間長(zhǎng)度Tchip由基本長(zhǎng)度TchipQ和延拓長(zhǎng)度TM組成，即T chip = Tchip0+TM，其 中，基本長(zhǎng)度延拓長(zhǎng)度τΜ根據(jù)被測(cè)量傳感器標(biāo)簽與閱讀器的最大距離d M以及不 同中心頻率信號(hào)下變頻后的周期確定，使τΜ大于每個(gè)被測(cè)量傳感器標(biāo)簽反射信號(hào)到達(dá)閱讀 器的延時(shí)且信號(hào)下變頻后延時(shí)τ Μ引起的相位變化小于231。
[0040] 利用Ν個(gè)不同中心頻率碼片隨機(jī)排列進(jìn)行編碼的碼容量與利用Ν個(gè)不同中心頻率 碼片中Ν-1個(gè)隨機(jī)排列進(jìn)行編碼的碼容量相同，即Ν!，因此本發(fā)明提出的時(shí)間延拓0FC信號(hào) 由N-1個(gè)碼片構(gòu)成。
[0041] 當(dāng)采用0FC的SAW傳感器標(biāo)簽反射信號(hào)異步到達(dá)閱讀器時(shí)，不同標(biāo)簽反射信號(hào)之間 互相產(chǎn)生干擾，對(duì)每一個(gè)反射信號(hào)進(jìn)行提取非常困難。
[0042] 然而由信號(hào)異步特性引起的反射信號(hào)不確定性畸變一般發(fā)生在每個(gè)碼片信號(hào)的 兩端，這與無(wú)線通信多徑引起的碼間串?dāng)_類(lèi)似。而非不確定性畸變時(shí)間段內(nèi)信號(hào)由不同SAW 傳感器標(biāo)簽相同反射柵位置反射信號(hào)疊加構(gòu)成，我們稱(chēng)之為確定性畸變。因此我們對(duì)0FC信 號(hào)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，即本發(fā)明提出的時(shí)間延拓0FC信號(hào)，使距離閱讀器一定范圍內(nèi)的SAW傳感 器標(biāo)簽反射信號(hào)異步疊加后，忽略不確定性畸變時(shí)間段仍然有確定性畸變信號(hào)可以利用。 因?yàn)橄嗤行念l率正弦信號(hào)疊加后中心頻率不變，整數(shù)周期長(zhǎng)度的時(shí)間窗內(nèi)不同中心頻率 正弦波保持正交，可利用此性質(zhì)對(duì)確定性畸變內(nèi)相同中心頻率疊加信號(hào)參數(shù)進(jìn)行提取。因 此在設(shè)計(jì)中保證確定性畸變時(shí)間段大于或等于不同中心頻率信號(hào)的周期。實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)中 應(yīng)保證異步疊加信號(hào)經(jīng)下變頻后確定性畸變時(shí)間段大于或等于不同中心頻率碼片信號(hào)的 周期。時(shí)間延拓0FC信號(hào)示意如圖2所示，該0FC信號(hào)的編碼為1432。
[0043] 所述(10)信號(hào)接收步驟中，異步反射疊加信號(hào)下變頻后的時(shí)域數(shù)學(xué)模型為：
[0044] V r〇F〇"^l .cos[2<_(，-。- τ_)] kd 、 ^"chip
[0045] 式中，Nt表示閱讀器范圍內(nèi)SAW傳感器標(biāo)簽的數(shù)量；
[0046] amk表示第m個(gè)標(biāo)簽反射信號(hào)第k個(gè)碼片到達(dá)閱讀器時(shí)的幅度，該碼片由第m個(gè)標(biāo)簽 第k個(gè)反射柵反射詢(xún)問(wèn)信號(hào)得到；
[0047] ^FCm表示第m個(gè)標(biāo)簽反射信號(hào)到達(dá)閱讀器時(shí)的延時(shí)；
[0048] fchipmk表示第m個(gè)標(biāo)簽反射信號(hào)第k個(gè)碼片的中心頻率;每個(gè)碼片的中心頻率fchipmk =n · fo。其中η為整數(shù)，且ne {1，2，···，N};
[0049] 如果第m個(gè)時(shí)間延拓OFC SAW傳感器標(biāo)簽反射信號(hào)第k個(gè)碼片中心頻率(或該標(biāo)簽 第k個(gè)反射柵匹配頻率)為nk · fo，ke {1，2，···，N-1}，貝lj第m個(gè)標(biāo)簽的編碼為m,n2,...,n(N-1)。
[0050] 多SAW傳感器環(huán)境示意如圖3所示，所有傳感器標(biāo)簽距離閱讀器小于dM，反射信號(hào) 異步到達(dá)閱讀器示意如圖4所示。
[0051] (20)基本長(zhǎng)度時(shí)間窗選取:在接收到的異步反射疊加信號(hào)不同碼片時(shí)間范圍內(nèi)分 別選擇基本長(zhǎng)度的時(shí)間窗；
[0052] 所述(20)基本長(zhǎng)度時(shí)間窗選取步驟中，不同碼片范圍內(nèi)選擇的基本長(zhǎng)度時(shí)間窗范 圍為：
[0053] [ Tpk+TM，Tpk+Tchip]，kE {1，2，…，N-1} 〇
[0054] 基本時(shí)間窗的選取應(yīng)保證窗內(nèi)僅包含確定性畸變信號(hào)，且時(shí)間窗長(zhǎng)度內(nèi)包含整數(shù) 倍個(gè)不同中心頻率信號(hào)的周期。本發(fā)明的基本時(shí)間窗的選取示意如圖4所示。
[0055] (30)幅度相位測(cè)量:測(cè)量不同時(shí)間窗內(nèi)相同中心頻率碼片信號(hào)疊加后的幅度和相 位；
[0056] 所述(30)幅度相位測(cè)量步驟具體為：
[0057] 廣~·ν(?) · cos:「曬? (，- τ)] Λ = cos (曬#)，
[0058] f' '"/^(O-sin ηω^?-τ^,) dt = α,"?η{ηο^τΗη)
[0059] ykn = akn cos(nω〇TFkn)-j · akn sin(nω〇TFkn)
[0060] 其中，c〇Q = 23if()，akn、TFkn分別表示第k個(gè)碼片位置中心頻率為n · fo的碼片信號(hào)異 步疊加后的幅度和假延時(shí)，akn= |ykn|，假延時(shí)由相同中心頻率信號(hào)的異步疊加造成。ykn的 幅度和相位分別表示第k個(gè)碼片位置中心頻率為η · fo的碼片信號(hào)異步疊加后的幅度和相 位。
[0061 ] 測(cè)量值ykn記錄在列向量Yn第(k-