一種基于SAW的無(wú)線標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)

http://m.butianyuan.cn/article/201612/333185.htm

聲表面波（Surface Acoustic Wave）技術(shù)是聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合而形成的一門新興邊緣學(xué)科。在該技術(shù)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)已經(jīng)成功地研制出聲表面波帶通濾波器、延遲線、振蕩器和表面波卷積器等聲表面波器件。由于聲表面波器件具有體積小、可靠性高、一致性好以及設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，所以在雷達(dá)、通信等領(lǐng)域的研究得到了廣泛的應(yīng)用。把聲表面波技術(shù)應(yīng)用于傳感器技術(shù)領(lǐng)域在近十幾年得到了很大的發(fā)展，目前，采用SAW技術(shù)來(lái)研制力、加速度、溫度、濕度、氣體及電壓等一系列新型傳感器的工作逐漸成為傳感器研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

無(wú)線標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)可廣泛用于電子門鎖、各種庫(kù)門管理以及安全防盜等方面。另外，由于它具有獲取信息快的特點(diǎn)，因此非常適用于自動(dòng)路橋或停車收費(fèi)系統(tǒng)、路標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)、鐵路車輛車號(hào)識(shí)別以及列車準(zhǔn)確?？靠刂频认到y(tǒng)[1]。

本文在延遲線型聲表面波傳感原理[2]和無(wú)線通訊相關(guān)技術(shù)[3]的基礎(chǔ)上，介紹了一種應(yīng)用聲表面波技術(shù)研制設(shè)計(jì)的無(wú)線標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)同型號(hào)的標(biāo)簽傳感器的不同體編碼進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 概述

聲表面波傳感器的工作模式基礎(chǔ)上可分為延遲線型和諧振型兩類[2]，其中利用各種薄膜技術(shù)的諧振型傳感器主要用來(lái)制作化學(xué)傳感器，延遲線型則主要應(yīng)用于溫度、壓力、應(yīng)力等物理量的檢測(cè)。

聲表面波傳感器的工作頻率通常為數(shù)十MHz，甚至高達(dá)1～2GHz，由于其本身具有高頻率信號(hào)輸出和低功耗等特點(diǎn)，因而非常適合于遙測(cè)信號(hào)的傳感和傳感器無(wú)源化的實(shí)現(xiàn)[2]。人們?cè)趲啄昵伴_始研究利用聲表面波無(wú)源器件進(jìn)行遙測(cè)，并采用時(shí)間延遲方式研制出了時(shí)延式聲表面波遙測(cè)系統(tǒng)。但相對(duì)于頻率量來(lái)說(shuō)，利用該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量不很方便，且測(cè)量精度不高，同時(shí)，遙測(cè)系統(tǒng)與無(wú)源傳感器之間的距離對(duì)信號(hào)的延遲也有較大影響。本文所研究的無(wú)線標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)雖然也同樣采用了類似延遲線型的標(biāo)簽傳感器的遙測(cè)，但由于系統(tǒng)是對(duì)標(biāo)簽傳感器的條形碼式反射信號(hào)進(jìn)行判斷，因而從原理上消除了對(duì)延遲時(shí)間的高精度測(cè)量要求和遙測(cè)距離對(duì)結(jié)果的影響等缺點(diǎn)。

聲表面波傳感器構(gòu)成的標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)主要由一個(gè)聲表面波傳感器標(biāo)簽、一個(gè)帶主動(dòng)式天線的射頻信號(hào)收發(fā)單元和一個(gè)信號(hào)處理單元組成。信號(hào)收發(fā)單元主要用于高頻激勵(lì)的發(fā)送和標(biāo)簽響應(yīng)信號(hào)的讀取，信號(hào)處理單元?jiǎng)t主要用于翻譯標(biāo)簽代碼并組成向計(jì)算機(jī)傳輸?shù)男畔ⅲ▍⒁妶D1）。它們的基本原理是：收發(fā)單元經(jīng)天線發(fā)射高頻脈沖信號(hào)，聲表面波傳感器標(biāo)簽經(jīng)天線接收至叉指換能器，換能器即產(chǎn)生聲表面波，然后聲表面波再通過一系列緊密排列及編碼的反射極電路的反射后回到叉指換能器，最后由天線發(fā)射出來(lái)，以得到一系列編碼的高頻回波信號(hào)（見圖2）。從而代表了不同的目標(biāo)。

聲表面波標(biāo)簽傳感器的反射極可看作是條形碼般的編碼裝置，如在反射極區(qū)域能布置32條標(biāo)簽條，則回波信號(hào)可得到2 32個(gè)狀態(tài)，這些狀態(tài)分別表示不同編號(hào)的車輛、集裝箱、工件、人或動(dòng)物等目標(biāo)以供識(shí)別。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 標(biāo)簽傳感器

無(wú)線標(biāo)簽系統(tǒng)的核心是聲表面波標(biāo)簽識(shí)別傳感器。該標(biāo)簽識(shí)別傳感器主要由傳感器天線、壓電基片、叉指換能器和經(jīng)傳感器體外編碼的反射極組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

根據(jù)壓電基片的特性可合理選取基片的切向，并可從工作頻率、頻寬寬度及加工精度的角度來(lái)設(shè)計(jì)叉指換能器的指寬、指間和指對(duì)數(shù)等參數(shù)。在設(shè)計(jì)反射極電路時(shí)，主要應(yīng)考慮反射效率、躲避激勵(lì)信號(hào)所引起的體波噪聲對(duì)反射信號(hào)的影響并應(yīng)有效避免三次及多次回波對(duì)編碼信號(hào)的影響。

當(dāng)反射極電路處于開路或?yàn)楦行载?fù)載時(shí)，反射極電路將對(duì)來(lái)自于叉指換能器產(chǎn)生的聲表面波進(jìn)行反射，而當(dāng)相當(dāng)反射極電路短路或?yàn)槿菪载?fù)載時(shí)，反射極電路對(duì)聲表面波的反射能力顯著下降。這時(shí)可以通過改變反射極電路的狀態(tài)來(lái)達(dá)到對(duì)反射極的體外編碼的目的。

2.2 信號(hào)收/發(fā)及處理

標(biāo)簽傳感器由一個(gè)短暫的高頻脈沖（這時(shí)用270MHz）來(lái)激勵(lì)，一旦激勵(lì)去除，它即以相同的頻率反射同一個(gè)阻尼衰減的正弦振蕩。其回波由相應(yīng)的接收電路檢測(cè)、解調(diào)和輸出。高頻信號(hào)的收/發(fā)及處理電路采用類似于無(wú)線系統(tǒng)的高頻信號(hào)處理電路，具體框圖見圖4。高頻激勵(lì)信號(hào)的發(fā)送和傳感器回波信號(hào)的接收均由非接觸方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參考中國(guó)無(wú)線電管理委員會(huì)對(duì)無(wú)繩電話要販發(fā)射功率的限制，其允許的信號(hào)發(fā)射功率為20nW，在聲表面波工作頻率為270MHz時(shí)，有效遙測(cè)距離約為3～5米，系統(tǒng)的幅度分辨率為10分貝，相位分辨率為正負(fù)1度。

高頻激勵(lì)脈沖以100kHz的頻率周期性地進(jìn)行發(fā)/收轉(zhuǎn)換，因此每秒鐘可完成多達(dá)10 5次測(cè)量。一個(gè)周期（約為1ms）內(nèi)發(fā)送時(shí)間約為100ns，其余時(shí)間為接收時(shí)間，在發(fā)送期間，大約可傳輸120個(gè)波長(zhǎng)的正弦波。

在接收期間，回波信號(hào)通過放大器輸入到90°相位差的信號(hào)解調(diào)電路，分別得到由式（1）和（2）表示的信號(hào)。

式中：

ω表示激勵(lì)脈沖信號(hào)的角頻率；

表示激勵(lì)信號(hào)與回波信號(hào)間的相位差；

式（1）和（2）分別代表回波信號(hào)的同相分量I和正交分量Q，兩信號(hào)經(jīng)低通濾波器去除高頻分量cos(2ωt+i)，再經(jīng)快速A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，解得的相位差為：

i=tg-1(I/Q) (3)

回波信號(hào)的幅值由咖外的A/D轉(zhuǎn)換變換得到，與相位數(shù)據(jù)相結(jié)合能夠得到整個(gè)信號(hào)時(shí)域響應(yīng)的離散數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過對(duì)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析即可得出標(biāo)簽?zāi)繕?biāo)的編碼。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

標(biāo)簽傳感器件基底采用機(jī)電耦合系數(shù)較大且溫度系數(shù)較小的LiNbO3壓電晶體為材料，取YZ切向，基片尺寸為10mm×6mm×0.6mm，叉指換能器電路和反射極電路應(yīng)用了薄膜技術(shù)制備，它覆蓋的薄鋁的厚度為0.1μm，指寬和指間均取2.8μm，標(biāo)簽傳感器的中心頻率為270MHz，帶寬為36MHz。在傳感器封裝之前，叉指電路和反射極相關(guān)電路由引線引出，并在體外分別接微帶天線并進(jìn)行編碼。

實(shí)驗(yàn)中的標(biāo)簽傳感器設(shè)計(jì)四個(gè)反射條電路，并對(duì)標(biāo)簽傳感器外編碼為1011的反射響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

從圖5中可知：編碼為1和0的反射條的響應(yīng)幅值較環(huán)境噪聲大數(shù)十分貝，同時(shí)編碼為0和1的反射響應(yīng)幅度之差約十幾個(gè)分貝，通過信號(hào)處理電路可以有效地對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行處理和分辨。實(shí)驗(yàn)表明：標(biāo)簽體外編碼基本上符合目標(biāo)識(shí)別的要求，能達(dá)到對(duì)目標(biāo)標(biāo)簽的有效識(shí)別。

4 結(jié)束語(yǔ)

聲表面波識(shí)別技術(shù)是一種新興的技術(shù)，在用于不停車車輛自動(dòng)收費(fèi)自動(dòng)識(shí)別方面（AVI），它具有低能耗、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)、快速數(shù)據(jù)讀取及傳輸處理和低價(jià)格、小體積等優(yōu)點(diǎn)，而且具有極強(qiáng)的實(shí)用性。

體外編碼的標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)避免了不同目標(biāo)需要設(shè)計(jì)不同的聲表面波傳感器反射極的問題，從而為該系統(tǒng)的鋪平了道路。為簡(jiǎn)潔起見，在實(shí)驗(yàn)中采用的只是四位編碼，實(shí)際上，在同樣的聲表面波信號(hào)傳輸效率下可采用相關(guān)技術(shù)來(lái)增加反射極，以使其擴(kuò)展到八位或十六位編碼。

當(dāng)然，為了進(jìn)一步有效地?cái)U(kuò)展編碼位數(shù)，還需對(duì)聲表面波信號(hào)的傳輸效率、反射電路的設(shè)計(jì)以及信號(hào)數(shù)據(jù)的處理技術(shù)等方面進(jìn)行深入的探討。同時(shí)，系統(tǒng)在如何避免統(tǒng)一型號(hào)的多個(gè)目標(biāo)同時(shí)出現(xiàn)在有效識(shí)別范圍內(nèi)所引起的識(shí)別混亂，以及遙測(cè)距離對(duì)回波幅值的影響等方面有待于進(jìn)一步的研究和處理。

隨著聲表面波技術(shù)研究的不斷深入以及在目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)中可靠性的提高，應(yīng)用聲表面波技術(shù)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別和定位系統(tǒng)必將具有廣闊的發(fā)展前景。