鄧森洋, 張萬里， 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家重點實驗室, 四川 成都 610054)

研究與探討

時域加窗技術(shù)改進(jìn)無源無線SAW傳感器測試研究*

鄧森洋, 張萬里， 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家重點實驗室, 四川 成都 610054)

無源無線聲表面波(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。利用無線測試傳感器的群時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)境中無線測試時會遇到環(huán)境反射的問題，此時測試的群時延曲線會產(chǎn)生畸變，不利于提取SAW傳感器的諧振頻率。利用測試群時延特性的方法搭建了測試系統(tǒng)，對測試結(jié)果使用了時域加窗技術(shù)。結(jié)果表明:時域加窗技術(shù)能夠有效抑制環(huán)境反射對群時延的影響，這對于提高無源無線SAW傳感器實際應(yīng)用中的信噪比具有重要的意義。

無源無線SAW傳感器; 時域加窗; 群時延; 環(huán)境反射

0 引 言

基于聲表面波(SAW)諧振器的無源無線傳感器由于具有高Q值、成本低、無源無線等特點，可以用于無線檢測惡劣環(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)是無源無線SAW傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵之一。激勵信號通過系統(tǒng)的收發(fā)天線輻射到空間中，傳感器被無線激勵后再將傳感器信號反饋給收發(fā)系統(tǒng)，最后根據(jù)SAW傳感器的時域、編碼或頻域等特性提取傳感器信息[6～10]。然而實際應(yīng)用中傳感器周圍的環(huán)境會對激勵信號產(chǎn)生反射[6,11]，此時收發(fā)系統(tǒng)接收到的信號不僅有傳感器信號，還有環(huán)境反射的噪聲信號，這些噪聲信號極不利于系統(tǒng)提取傳感器信息。因此，從包含大量噪聲的信號中提取出傳感器信號，對無源無線SAW傳感器的應(yīng)用具有重要的意義。

本文基于檢測群時延的方法，搭建了無線SAW傳感器的測試系統(tǒng)，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(簡稱矢網(wǎng))無線測試了SAW傳感器的諧振頻率，研究了時域加窗技術(shù)在信號處理中的作用，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 無源無線SAW傳感器測試系統(tǒng)

SAW傳感器相位在諧振頻率處會發(fā)生突變，相位的變化率(即群時延[12])會在諧振頻率處出現(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，群時延諧振峰會發(fā)生相應(yīng)的偏移，因此,可以利用群時延特性搭建無源無線SAW傳感器測試系統(tǒng)[9,10,13,14]。

本文利用群時延特性搭建的無源無線SAW傳感器的測試系統(tǒng)如圖1所示[13,14]。該系統(tǒng)采用矢網(wǎng)端口1產(chǎn)生激勵信號，經(jīng)功放、隔離器、環(huán)行器后到達(dá)探測天線輻射出去。SAW傳感器接收到空間中的激勵信號后再利用傳感天線輻射回波信號。探測天線接收到回波信號后經(jīng)過環(huán)行器、衰減器進(jìn)入矢網(wǎng)端口2。最后計算機(jī)自動處理矢網(wǎng)測量的S21群時延數(shù)據(jù)。

圖1 無源無線SAW傳感器測試系統(tǒng)

本文測試的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，掃描點數(shù)為1601個。當(dāng)環(huán)境反射比較弱時系統(tǒng)測得的群時延曲線如圖2所示，群時延曲線存在一個很尖銳的諧振峰，該峰對應(yīng)的頻率即是SAW傳感器的諧振頻率[9,10,13,14]。

圖2 正常情況下群時延曲線

圖3 三種嚴(yán)重畸變的群時延曲線

但在實際應(yīng)用中，測試環(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，探測天線發(fā)射出去的電磁波往往受到周圍復(fù)雜環(huán)境的反射而又被探測天線接收，這種不希望的噪聲信號和傳感器信號一同進(jìn)入到分析儀器，極大地降低了系統(tǒng)信噪比，使其難以從測試信號中提取傳感器信號。本文在測試過程中，通過移動測試環(huán)境中的金屬背景來模擬實際的復(fù)雜測試環(huán)境，發(fā)現(xiàn)無線測試SAW傳感器時主要遇到三種畸變的群時延情形，如圖3所示。圖3(a)～(c)分別是群時延曲線在諧振峰處、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延曲線發(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，此時計算機(jī)測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，并且隨著外界待測物理量的變化，SAW器件的諧振峰會左右偏移，因此,很難在頻域內(nèi)加窗來消除環(huán)境反射的影響。

1.2 時域加窗技術(shù)

在信號處理中，對無限長的時域信號有限化的過程即為時域加窗。矢網(wǎng)測得的曲線是連續(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[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]。由于在無源無線SAW傳感器測試系統(tǒng)中只需得到諧振峰對應(yīng)的諧振頻率大小，不考慮諧振峰的幅值精度，為了簡化處理過程，僅需采用最簡單的矩形窗進(jìn)行截取即可，矩形窗定義如下[18]

其中，P為起始點，Q為終止點。

1.3 時域加窗處理方法

為了消除環(huán)境反射引入的噪聲信號，本文采用時域加窗的方法對測試得到的群時延曲線進(jìn)行處理。其具體過程為：

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

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

3)將圖4中虛線矩形框內(nèi)群時延的時域信號通過DFT變換至頻域，結(jié)果如圖5(a)所示。采用相同的方法，對于圖3(b)，(c)所示的測試結(jié)果經(jīng)時域加窗處理后的結(jié)果分別如圖5(b)，(c)所示。

圖4 時域內(nèi)的群時延曲線

對比圖3和圖5可知，經(jīng)過時域加窗處理以后，群時延曲線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，此時計算機(jī)測試程序能夠很容易地跟蹤群時延最大值，從而確定諧振頻率。這表明時域加窗技術(shù)能夠有效抑制環(huán)境反射對群時延的影響，運用該技術(shù)的無源無線SAW傳感器測試系統(tǒng)可以幫助傳感器工作在更加惡劣、復(fù)雜的環(huán)境中實時準(zhǔn)確地提取出傳感器的諧振頻率信息。

圖5 時域加窗處理后群時延曲線

2 結(jié) 論

本文基于測試群時延的方法搭建了SAW傳感器的無線測試系統(tǒng)，研究了時域加窗技術(shù)對提高系統(tǒng)信噪比的作用。測試結(jié)果表明：在無線測量過程中環(huán)境反射噪聲使得群時延曲線發(fā)生畸變，不利于計算機(jī)測試程序自動提取SAW傳感器的諧振頻率。而采用時域加窗技術(shù)處理后的結(jié)果表明：時域加窗技術(shù)能有效抑制環(huán)境反射對SAW無線傳感器群時延的影響，明顯改善傳感器群時延曲線，有利于計算機(jī)測試程序?qū)崟r準(zhǔn)確地獲得傳感器諧振頻率提取傳感信息。因此，將時域加窗技術(shù)運用在無源無線SAW傳感器測試系統(tǒng)中有重要的實際應(yīng)用價值。

[1]PohlA.AreviewofwirelessSAWsensors[J].IEEETransactionsonUltrasonics,FerroelectricsandFrequencyControl,2000,47(2):317-332.

[2]PereiradaCunhaM,LadRJ,DavulisP,etal.Wirelessacousticwavesensorsandsystemsforharshenvironmentapplications[C]∥2011IEEETopicalConferenceonWirelessSensorsandSensorNetworks(WiSNet),2011:41-44.

[3]StoneyR,GeraghtyD,DonnellG.Characterisationofdifferen-tiallymeasuredstrainusingpassivewirelesssurfaceacousticwave(SAW)strainsensors[J].SensorsJournal,IEEE,2013,14(3):722-728.

[4]LinCJ,HungCW,LinHP.Astudyofwirelesstorquesensingbasedonsawsensors[C]∥2010InternationalSymposiumonComputerCommunicationControlandAutomation(3CA),IEEE,2010:211-214.

[5] Schimetta G,Dollinger F,Weigel R.A wireless pressure-mea-surement system using a SAW hybrid sensor[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2000,48(12):2730-2735.

[6] Bulst W E, Fischerauer G,Reindl L.State of the art in wireless sensing with surface acoustic waves[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2001,48(2):265-271.

[7] Puccio D,Malocha D C,Gallagher D,et al.SAW sensors using orthogonal frequency coding[C]∥Proceedings of the 2004 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition,2004.IEEE,2004:307-310.

[8] Denys Chernenko.Wireless passive pressure sensor using frequency coded SAW structures[C]∥35th Int’l Spring Seminar on Electronics Technology,IEEE,2012:424-428.

[9] Canabal A, Davulis P M, Harris G M, et al.High-temperature battery-free wireless microwave acoustic resonator sensor sys-tem[J].Electronics Letters,2010,46(7):471-472.

[10] Canabal A,Davulis P M,Pollard T B,et al.Multi-sensor wireless interrogation of SAW resonators at high temperatures[C]∥Proc of 2010 IEEE Int’l Ultrason Symp,2010:265-268.

[11] Thomson D J,Card D,Bridges G E.RF cavity passive wireless sensors with time-domain gating-based interrogation for SHM of civil structures[J].Sensors Journal,IEEE,2009,9(11):1430-1438.

[12] Zhu X,Li Y,Yong S,et al.A novel definition and measurement method of group delay and its application[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2009,58(1):229-233.

[13] 郭珂君,彭 斌,張萬里.一種聲表面波無線傳感器的小型化微帶天線[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2013(10):1453-1456.

[14] 錢占一.基于聲表面波諧振器的無源無線檢測技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2013:44-45.

[15] Dolphin Abessolo-Bidzo,Removing S-parameters on-wafer mea-surements parasitic elements using time domain gating:Application to transmission lines[C]∥Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference,APMC 2006,Asia-Pacific,2006:575-578.

[16] Agilent Technologies Inc.Agilent time domain analysis using a network analyzer application note 1287—12[Z].USA:Agilent Technologies Inc,2012:3-7.

[17] Archambeault B， Connor S,Diepenbrock J C.Time domain gating of frequency domain S-parameter data to remove connector end effects for PCB and cable applications[C]∥Electromagnetic Compatibility,EMC 2006, Portland, OR, 2006:199-202.

[18] Paulo S R Diniz.數(shù)字信號處理系統(tǒng)分析與設(shè)計[M].門愛東,等,譯, 北京:電子工業(yè)出版社, 2004:64-65, 149-155.

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

國家自然科學(xué)基金資助項目(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，主要研究方向為無線傳感技術(shù)。