基于声表面波的某无线远距识别系统的实现 物理学家, 地震波, 沃尔特, 美国, 英国

Bazinga

介绍了一种基于声表面波器件的无线远距识别系统的实现。对声表面波技术及声表面波传感器作了简要的介绍，针对某无线远距识别系统作了详细的分析，并给出了测试结果。
１ ＳＡＷ技术简介
声表面波ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）是英国物理学家瑞利在１９世纪８０年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波。１９６５年，美国的怀特和沃尔特默在应用物理杂志上发表题为“一种新型声表面波声——电转化器”的论文，取得了声表面波技术的关键性突破，能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器ＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒ－ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）的发明，大大加速了声表面波技术的发展，相继出现了许多各具特色的声表面波器件，使这门年轻的学科逐步发展成为一门新兴的、声学和电子学相结合的边缘学科。
ＳＡＷ最早的应用是在广播、电视领域作频率稳定的滤波器之用。现在声表面波技术的应用已涉及到许多学科领域，如地震学、天文学、雷达通信及广播电视中的信号处理、航空航天、石油勘探和无损检测等。

２ 声表面波传感器标签的识别原理
声表面波传感器的基本组成如图１所示。其天线接收到高频（９１５ＭＨｚ中心频率）激励后经过叉指换能器ＩＤＴ（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）将电磁波转化成声表面波，然后经过一系列反射器（可编程，包含了识别码）反射回来，再经叉指换能器转化成电磁波经天线发射出去，完成反射过程。
３ 收发器的系统实现
３．１ 大时宽带宽乘积信号
匹配滤波器理论指导下提出的线性调频脉冲压缩技术，是在宽脉冲内附加线性调频已扩展信号的频带，从而提供了一种时宽和带宽乘积大于１的信号，称为大时宽带宽乘积信号。
线性调频脉冲具有近似矩形的幅频特性和近似平方律的相频特性。同时具有可选择的“时宽带宽积”，普通脉冲信号是单一载频信号，它的时宽带宽积是固定的，大约等于１。而线性调频脉冲信号的时宽和带宽都可以做得很宽，使得时宽带宽积可以做得很大。
大时宽带宽乘积信号由于应用宽脉冲，系统的多普勒分辨力可同时得到提高，有利于克服峰值功率限制，充分利用发射设备的平均功率，提高信号的能量，有利于增强系统的抗干扰能力。对有源噪声干扰来说，由于信号的带宽很大，迫使干扰及发射宽带噪声，从而降低了干扰的谱密度。对于回答式干扰，也由于采用了复杂的脉内调制，在信号的延迟、放大、转发过程中会产生更大的畸变，从而得到一定的抑制。至于消极干扰则由于提高了系统的分辨能力，抗干扰性能也有一定的改善。
图2 接收器
３．２ 系统方框图 从图４可看到展宽器件的情况，高频部分先到达，得到的是由高频向低频变化（１７５ＭＨｚ～１５５ＭＨｚ）的延迟时间为１μｓ的负斜率线性调频脉冲。
根据系统指标要求，笔者设计的某识别系统的接收器和发送器实现框图分别如图２、图３所示。
３．３ 系统各部分介绍
(１)本 振
７５０ＭＨｚ及１６５ＭＨｚ本振通过锁相环产生，稳定度在１０－７量级，作为激励传感器的发射信号和检测回波信号时延的基准在系统中起着重要作用。
(２)脉冲的扩展
１６５ＭＨｚ的本振脉冲，经过开关截取０．１μｓ宽度的脉冲，经放大、带通滤波后，得到一个钟形脉冲，送到ＳＡＷ扩展器。ＳＡＷ扩展器的激励脉冲可以是一个宽度小于８ｎｓ的窄脉冲，也可以是一个带有载波的钟形脉冲，为了得到较大的功率，在此选用了钟形脉冲。
扩展器的原理图如图４所示。主要由压电晶片（这里采用了ＬｉＴａＯ３晶体）和光刻在其表面上的叉指换能器组成。触发脉冲输入换能器后，由逆压电效应激励出声表面波。传播到输出换能器后，由压电效应转换成与叉指条周期一一对应的电磁波。由于声表面波到达换能器时间上的差异，得到了一组频率按线性变化的展宽电脉冲。

(３)天线、ＧａＡｓ射频开关、发射和接收
从ＳＡＷ扩展器输出的线性调频脉冲经过放大滤波后，由天线发射出去。
发射天线与接收天线共用，需要一转换开关。回波信号的微弱要求系统接收机本地噪声信号必须很小，因此，要求开关应有很高的隔离度（通断比），否则，本机振荡信号会窜入接收机而淹没有用信号。由于系统频率高达９１５ＭＨｚ，普通的模拟开关无法满足隔离度的要求。本系统采用了ＧａＡｓ射频开关，这种开关具有较高的隔离度、较低的插损、开关速度快等优点。
天线具有比较窄的方向角，以尽量避免在识别范围内同时出现两个识别卡的情形。发射出的信号若遇到ＳＡＷ识别卡，会反射回一系列脉冲，脉冲的数量和间隔由识别卡本身的结构决定。本系统中使用的是２４／４８位的识别码。
(４)脉冲压缩
由天线接收的脉冲信号经过下变频、带通、放大后送到ＳＡＷ压缩器，压缩器的原理与扩展器类似，输出换能器的叉指排列与扩展器的共轭，由低频向高频变化（１５５ＭＨｚ～１７５ＭＨｚ）。当展宽脉冲进来后，由于时间上的差异，使各频率的信号同时到达叉指换能器相应的位置而输出一个被压缩的脉冲。脉冲的能量按布喇格函数分布。

通过使用ＳＡＷ扩展器和压缩器，增大了信号的时宽带宽积，从而获得了大约１３ｄＢ的处理增益，提高了系统的多普勒分辨力；由于时域上的展宽，充分利用发射设备的平均功率，提高信号能量，增强了系统的抗干扰能力。
(５)Ａ／Ｄ采样与ＤＳＰ数据处理
由ＳＡＷ压缩器输出的信号包含了ＳＡＷ识别卡的信息，经过Ａ／Ｄ采样后由ＤＳＰ提取识别卡的信息就完成了识别过程。
４ 测 试
测试用的识别卡有２４条反射器，可以形成２４位的识别码，收发器每隔１２μｓ发射一个１μｓ的询问脉冲。经过识别卡反射回一组编码脉冲。若对应位为１，则对应反射器反射回波；若为０则不反射。这样由有无回波脉冲就可以判断出该位为１或者０。
编码为１的返回脉冲比编码为０的返回脉冲大２０ｄＢｍ左右，通过信号的处理可以得到很低的误码率，可以快速准确地识别目标。
声表面波器件的引入，使系统性能得到了很大的提高。识别距离可以达到２０ｍ，可用于不停车车辆自动收费识别系统、路标识别系统、铁路车辆车号识别以及列车准确停靠控制等系统。