声表面波谐振器谐振频率的快速搜索方法

摘要

本发明涉及一种声表面波谐振器谐振频率的快速搜索方法，发射一个由固定低频信号和大小可调的本振信号合成一个激励信号用于激励SAWR；然后对接收的信号判断是否为SAWR有效激励信号，如果不是，调整激励信号重新进行激励；如果是，做下变频处理并通过查找信号过零点来得到回波信号的周期并保存；最后查找所有有效激励对应的回波信号的周期的最大值，并得到最大周期信号所对应的激励信号，对该激励信号作用于谐振器所产生的回波信号进行频率估计，得到声表面波谐振器的当前谐振频率估计值。该算法在扫描过程中即无需做频率估计，整个扫描过程都在时域中完成，而且不受信号相位影响，有效地加快SAWR的扫描速度，提高声表面波SAW传感器的解调速度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种信号检测技术，特别涉及一种声表面波谐振器谐振频率的快速搜索方法。

背景技术

在阅读器的阅读过程中采用频分复用的形式来区分每一个谐振器，而如何快速搜索每一个谐振器是一个难点。目前常用的声表面波谐振器SAWR扫描方法可分为两个：其中一个通过设定一个步长扫描每一个谐振器的工作带宽，但这个过程需要消耗很长的时间；另外一个方法是采用IQ解调算法来实现对谐振器频率的快速逼近，即采集两路相位相差为π/2的信号，通过傅立叶变换找到最大谱线对应的相位角以确定激励信号频率的调整方向，最终使激励信号接近谐振频率而实现信号解调。但该方法有许多不足之处，首先是信号接收电路复杂，对每一个谐振器需要接收两路正交的信号，而且要保证两路接收电路的电气参数一致，这是一个难点；其次，在每一次相位差求解过程中都需要进行谱估计，使解调过程计算时间长；最后，因为是通过相位来判段激励信号频率调整方向，而相位受噪声影响大，容易出现误判。

发明内容

本发明是针对现有声表面波谐振器扫描速度慢、扫描过程复杂、易受信号噪声影响的问题，提出了一种声表面波谐振器谐振频率的快速搜索方法，利用激励信号与回波信号周期之间的关系对声表面波谐振器进行快速扫描，实现声表面波谐振器谐振频率的快速搜索。

本发明的技术方案为：一种声表面波谐振器谐振频率的快速搜索方法，首先发射一个由固定低频信号和大小可调的本振信号合成一个激励信号作用于激励声表面波谐振器；然后对接收的信号判断该激励信号是否为声表面波谐振器的有效激励信号，如果不是，调整激励信号重新进行激励；如果是，对接收到的信号做本振信号下变频处理并通过查找信号过零点来得到回波信号的周期并保存，接着调整激励信号频率并重复上述过程直至无效激励；最后查找所有有效激励对应的回波信号的周期的最大值，依此形成最后的激励信号并通过FFT频率估计方法得到该激励信号对应的回波信号的精确频率，从而得到声表面波谐振器的当前谐振频率的估计值，完成对声表面波谐振器的扫描。

所述查找信号过零点来得到回波信号的周期,具体步骤如下：

1)确定连续两个点，满足：Data(n)*Data(n+1)≤0，Data(n)为采集的回波信号的自相关信号，n为代表时间的序号；

2)把回波信号在零点附近近似为直线，通过斜率相等确定幅值为0时的时间序列值：

3)通过相邻的两个过零点之间的时间间隔得到回波信号周期。

本发明的有益效果在于：本发明声表面波谐振器谐振频率的快速搜索方法，利用激励信号与回波信号周期之间的关系设计了声表面波谐振器快速扫描算法，该算法在扫描过程中即无需做频率估计，整个扫描过程都在时域中完成，而且不受信号相位影响，可以有效地加快SAWR的扫描速度，提高声表面波SAW传感器的解调速度。

附图说明

图1为本发明声表面波谐振器谐振频率的快速搜索方法流程图；

图2为本发明声表面波回波信号图；

图3为本发明声表面波回波信号做自相关后信号图；

图4为本发明本振信号频率f_L0取值为429700kHz时对频率为430998kHz的谐振器查询得到的回波信号图；

图5为本发明本振信号频率f_L0取值为430300kHz时对频率为430998kHz的谐振器查询得到的回波信号图；

图6为本发明本振信号频率f_L0取不同值时得到的周期值图。

具体实施方式

利用激励信号与回波信号周期之间的关系，指出具有最大周期时的激励信号最接近谐振频率。首先发射一个由固定低频信号和大小可调的本振信号合成一个激励信号用于激励SAWR；然后对接收的信号判断是否为SAWR有效激励信号，如果不是，调整激励信号重新进行激励；如果是，做下变频处理并通过查找信号过零点来得到回波信号的周期并保存，接着调整激励信号频率并重复上述过程直至无效激励；最后查找所有有效激励对应的回波信号的周期的最大值，并得到最大周期信号所对应的激励信号，对该激励信号作用于谐振器所产生的回波信号进行频率估计，得到声表面波谐振器的当前谐振频率估计值，从而完成对SAWR的扫描。

图1是本发明声表面波谐振器谐振频率的快速搜索方法流程，本发明的阅读系统采用逐点扫描方法，设定激励信号由频率为f_L0的本振和频率为f_L的固定低频信号合成(流程中为750kHz低频信号)合成信号频率：f_L0+f_L，作用于声表面波谐振器上，接收回波信号，通过设定回波信号振幅阈值判断当前激励是否为有效激励，有效则对频率为f₀的回波信号通过频率为f_L0本振信号进行下变频处理得到f_IF，f_IF＝f₀-f_L0。

当回波信号振幅大于设定的阈值时则认为此时的激励信号有效，否则认为此时的激励信号不在谐振器的工作带宽中，属于无效的激励。若不是有效激励，直接调整f_L0并返回重新进行激励。若判定为有效激励，则进行下变频处理并通过相邻过零点进行周期估计。调整f_L0重复上述过程，直到再次出现无效激励，表明扫描已经涵盖了谐振器带宽范围。流程图中设置B__find标志用来标记当前激励是否有效，T_Data用来存储所有有效激励条件下对应的回波信号的周期。

在工作过程中，声表面波谐振器在一定的负载下，其谐振频率(谐振频率是谐振器的固有频率，是谐振器的自身特征，与激励和回波均无关)保持不变。当改变本振信号频率f_L0的大小，则回波信号的频率经本征信号下变频后得到的f_IF大小也跟随改变，因此，采集到的信号周期亦会发生变化。如果激励信号的频率接近谐振器的谐振频率，则回波信号的频率也接近谐振频率；如果激励信号的频率远离谐振器的谐振频率，则回波信号为白噪声。当本征频率f_L0越靠近声表面波谐振器谐振频率时，回波信号的f_IF的值越小，信号周期越大，反之亦然。根据f_L0与回波周期之间的关系，即可在时域完成对谐振器的中心频率的搜索。根据上述过程，本发明首先设置一个激励信号，然后判断回波信号是否是有效激励，如果是有效激励信号则得到经下变频后的信号周期，信号的周期通过查找过零点来得到，过零点是通过拟合来实现：

1)确定连续两个点，满足：Data(n)*Data(n+1)≤0，Data(n)为采集的回波信号的自相关信号，n为代表时间的序号；

2)把回波信号在零点附近近似为直线，通过斜率相等确定幅值为0时的时间序列值：

3)通过相邻的两个过零点之间的时间间隔得到回波信号周期。

接着查找所有有效激励对应的回波信号的周期的最大值，用最大周期回波信号频率加上下本征频率得到最后的激励信号，并用该激励信号重新激励SAWR，对得到的回波信号通过FFT谱估计算法得到谐振器谐振频率的最后估计，完成SAWR的扫描。

图2、3为是SAW回波信号做自相关前后的图，从图3可以发现经自相关后信号的周期特性更加明显，有利于信号周期的提取。

图4、5和6是用不同f_L0对一个431MHz谐振器进行扫描实验结果。图4和5是f_L0分别取值为429700kHz和430300kHz时对频率为430998kHz的谐振器查询得到的回波信号，f_L取值固定为750kHz，从图中可以看到两个信号的周期大小差别很大。图6纵轴是f_L0取不同值时得到的周期值，横轴表示不同周期时对应回波信号的频率。从图中可以发现当扫描到第6组时信号有最大的周期值，对该组所对应的回波信号通过FFT谱估计方法可以解调出谐振频率为431002kHz。

为了验证设计算法的有效性，需要把设计的扫描方法与IQ解调法进行测试比对。IQ解调算法的扫描过程如下：首先采集两路正交的信号：

其中，△f＝F₀-F，F₀是谐振器的谐振频率，F是激励信号频率；然后把两路正交信号合并成一个新的信号：

R(t)＝I(t)+j.Q(t)

通过FFT算法可以得到△f，并判断R(t)的相位。设定一个步长进行扫描，当扫描过程中出现R(t)的相位符号改变则认为此时激励信号的频率接近谐振器的谐振频率而停止扫描。

扫描测试对象是频率分别为433222kHz和437825kHz的谐振器，扫描频率范围为：(429000kHz，440000kHz)，扫描步长为100kHz，检测扫描算法在一台CPU型号为E6700，运行环境为Windows XP的电脑上运行，阅读器硬件采集的信号通过USB从下位机传到上位机。测试结果为：本文设计的扫描方法消耗的时间是521ms，而IQ扫描法所消耗的时间是828ms，由此可见，本文提出的扫描方法有效降低了搜索时间，扫描速度与IQ法相比提高了37.1％。