（测试计量技术及仪器专业论文）声表面波无线辨识标签系统的研究.pdf

上海览通大学硕士学位论文 摘要 声表面渡无线辨识标签系统的研究 摘要 近年来，目标自动识别系统在许多服务领域、在货物销售与后勤分配方面、 在囊渡部门、在袋产金翌彝楗糕浚逶领域褥瓣了抉速豹蘩及窝接广。爨动滚别方 法静任务_ 稻爵的怒提供关于个入、动耪、货物和商品的傣惠。为了满藏柱会发展 的聚求，非接触识别技术成为研究的重要内容之一。非接触识别已经逐步发展成 为个独立的跨学科的专业领域。这个专业领域与任何传统学科都不相同。它将 大羹瘵鑫宠全不潮专监领域豹技术综合到一起；魏高频技术、电磁蓑容瞧、半导 体技术、数据保护秘密码学、惫信、隶l 透技术和诲多专娥疲焉领装。瓷众多的 接触识别方法中射频识别技术由于其：标舔数据量大、机器可读性好、阅读速度 快镣优点成为未泉目标自动识别技术发展的主要方向。 作为当前非接触识别技术巾很有特色的一种，基于声波面波技术的辨识标签 枣予英有无线、纛源、菝手援缝力强与簧输鼹离长等特悫，其毒广泛戆舞场蘸景 e n o 针对基于声袋面波技术的自动识别系统设计中的问题，本文从熬本原理入 手，从整体到局部，依次分析了辨识标签，收发机，数采系统和信号流程功能 韵实瑷等内容。 曾先，基于瓣声表面渡辨谈标签的工l 管原理研究静蒺疆上，对辫谈标签设 计中的各项参数的确定进行了分析，通过宓验分析了声袋面波辨识标签的性能， 通道相应的信号处理电路和方法可以对反射信号进行处理和编码判断，从而能达 至h 蠢效的碧标辨识标签识别 信号在健输遗程串垂予隰抗嚣配、嚣箨嚣按莪因素，傻褥电磁波与收发撬 的耦合非常微弱，导致回波信母也十分徽弱。这就要求遥测系统具有檄满的信噪 比、较高的信号通断比、非常稳定的信号源钵一系列特点。本文根据收发机的测 量原理，结合系统设计完成了舆体电路的设计。 傣号峦毅发糗接毅，逶遘l 、q 薅疆之溪，嚣魏摸攘嫠号将进入数攥罴集部 分。数据采集部分利用a d 采样后通过高速d s p 处理器避行数据处瑗遂过一定 的算法判别从声畿面波标签上获得的数据。同时数据采集部分也控制了收发机的 工作流程。 本文对f p g a 不弼功能豹设计，实现了僖号经a d 激榉嚣直接进入d s p 或 遥避取臼r a m 藤避入d s p 等不同方式静漉程，傻系统霹良遥瘟不溺豹信号殓 理需求。 关键词： 目标识别，声表面波。辨识标签， 叉指换能器， 反射叉指， f p g a 上海燮通大学硕士学位论文 摘要 霉珏嚣薹乏嚣s 嚣a 装c 珏o f 譬狂ew l r 嚣毛嚣s s i d e n t i f i c a t l o nt a g ss y s t e mb a s e do ns a w s 嚣n s o 歉s a 嚣s t r a c 誓 t h ei d e n t i f i c a t i o nt a g so d t ) s y s t e m sa r ew i d e l yu s e di nf i d d so fs e r v i c e ， b u s i n e s sa n dm a n u f a c t u r i n gt h e s ey e a r s t h ei d ts y s t e m sa r eu s e dt o g e tt h e i n f o r m a t i o no ft h eo b j e c t s r a d i of r e q u e n c y ( r f ) i di sm o r ei m p o r t a n tt h a no t h e r s y s t e m sb e c a u s eo f 溉s p e c i 越c h a r a c t e r s ，r f i ds y s t e m sa t eu s e dd i f f e r e n tt e c h n i q u e s o fm a n yf i e l d s ，s u c ha sh i g hf r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i s mc o m p a t i b i l i t y f a b r i c a t i o n t e c h n i q u e sa n ds oo n r f i ds y s t e m sw i l lb et h em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o no ft h ei d t s y s t e m s 。 a sas p e c i a lo n eo ft h er f i ds y s t e m s ，t h ew i r e l e s si dt a g ss y s t e mb a s e do i l s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ( s a w ) s e n s o r si ss e tu ph e r e t h es y s t e mc a ni d e n t i f y d i f f e r e n to b j e c t sb yr e a d i n gr e s p e c t i v ei d e n t i f i c a t i o nc o d e si nap a s s i v em o d e a tf i r s t , w er e v i e wb r i e f l yt h eh i s t o r yo fs a wt e c h n i q u ea n di n t r o d u c ei t s f e a t u r e s t h es y s t e mi sp r o v e dt h e o r e t i c a l l yb o t hi nq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v e a n a l y s i si nt h i st h e s i s ，a n dt e s t i f i e di nt h er e l a t e de x p e r i m e n t 。i na d d i t i o nt h et a g s e n s o ra n di t ss i g n a lp r o c e s s i n gc k c u k sa r ei n 仃o d u c e d w h e nt h es i g n a li st r a n s f e r r i n g ，i m p e d a n c em a t c h i n g ，i n s e r tc a u s t i ca n do t h e r f a c t o r w i l li n f l u e n c et h ec o u p l i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ea n dt r a n s m i t t i n g r e c e i v i n g s y s t e m a n d t h er e c e i v e ds i g n a lw i l lb e f a i n t a l s o t h em o d e l so f t r a n s m i t t i n g r e c e i v i n gs y s t e mi nt h ei d - 协gs e n s o ra r ea n a l y z e de m p h a t i c a l l y b a s e d o nt h ea n a l y s i sw i t ht h ep a r a m e t e r so f t h et r a n s m i t t i n g r e c e i v i n gs y s t e m ，w ed e s i g n e d t h es y s t e mw i t hv e r yh i g hs i g n a l - t o - n o i s er a t i o ，h i g hs i g n a lc o n n e c t - t o _ d i s c o n n e c t r a t i oa n dm a n yo t h e ra d v a n t a g e s 。 上海交通大学硕士学位论文播要 r e c e i v e d 姆t h et r a n s m i t t i n g r e c e i v i n gs y s t e m ，t h es i g n a li sl qd e m o d u l a t e d b yt h eh a r d w a r e t h ed a t a - c o l l e c t i n gb l o c kg e t st h e2m u t e so fa n a l o g u es i g n a l t h r o u g ht h ea d c ，a n dp r o c e s s e st h es i g n a lw i t ht h ed s r t h i sb l o c ka l s oc o n t r o l st h e t r a n s m i t t i n g r e c e i v i n gs y s t e mi nv a l i dt i m i n gs e q u e n c e 。 f i n a l l yw i t ht h ed i f f e r e n tw a y so fd e s i g no nt h ef p g a ，t h es i g n a lc a l lb e t r a n s m i t t e df r o mt h ea d ct ot h ed s pi nt h r e ew a y s ，t h r o u g ht h er a m ，f i f oa n d d m a r e s p e c t i v e l y w h i c hh e l p t h es y s t e mm e e ti nd i f f e r e n tn e e d s ， k e x v o r d s ：s a w , i d t , i d e n t i f i c a t i o nt a g s ， v h d l ， f p g a 上海交通大学 学位论文原创性声朋 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行磺究工作所取得的成果。除文中已经注唆亏l 用的内容夕 ， 本论文不包含任何其他个人绒集体已经发表或撰笃过的作品成果。 对本文的研究做滋重要贡献的个人和集体，均已在文中戬明确方式 标明。本人完全意识到本声骥的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：枣；艮军 e t 期：2 0 0 2 _ 年f 月2 8 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家谢关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阕霹偌阕。本人授权上海交遽大学霹基将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印戴扫接等笺铡手段保蠢和汇编零学位论文。 ， 保密彩，在生年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名；缮坼指导教师签名砺幽砖 、6 、 日期：知旺年月z g 日 日期：五年月3 子日 上海童通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 弓l 言 第一章绪论 在现代信息社会中，目标辨识并不是一个陌生的术语。例如超帝中货物的识 剽、图书馆中书于l 的识鄹、锻行磁卡等都麓茸标识爱系统应用的实铡。尤其是近 年来，自动识别方法在许多服务领域、在货物销售与后勤分配方面、程商业部门、 在生产企业和材料流通领域、在智能交通瓣理等方瑟得到了快速的耱及鞠接广。 简罄的说，鲁动识别方法静镊务和哥的燕撼供关于个入、动物、货物稍商品酶信 息。 在凡年翦，焱形码纸黪在识别系统领域弓l 起了场革命并褥到了广泛的 认闻与应用。德怒随着现代校会的发展，这种技术在越米越多的情况下不能满足 人们的需求了。条形码虽然便窟，但它的不足之处在于存储能力小以及不能改写。 霹翡，晏一静f - 泛搜罔静技零是接皴式i c 卡( 电话i e 专、银雩亍卡) ，它是将数 据存储在一块酸芯片里。然而，在许多情躐下，机械触廉的接通是不可靠的。特 别是对于运动酣标或不可触及的目标更显得无能为力。于是研究更好的目标识别 技零龙其是 # 羧觳谖爱技拳，有了宅深亥g 鹣瑷实意义。 近年来，j # 接触识别已缀逐步发展成为一个独立的踌学乖萼的专娥领域。这个 专舭领域与任何传统学科都币相同。它将大量来自完全不同专业领域的技术综合 爨起：燕赛羧皴零、电磁藏客牲、半导镰技术、数豢绦护帮密玛学、毫售、翻 造技术和许多专渡应用领域。基于声表面波技术的辨谈标签由于具有光线、无源、 抗干扰能力强与传输距离长蒋特点，成为当前非接触识别技术中很肖特色的一 秘，其奏广泛黟索场嚣景涮。 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 l 。2 鑫动嚣椽谖剐概况 1 2 + 1 舅标识别技术 自幼目标识别的方法有很多，如表i - 1 最目前多种目标识别技术及其优缺点的比 较 表1 - 1 蔷种谖l 系绫住缺点静跑竣 光举符号生物计数射频识别 条形码 语音识别 i c 卡 识别测量法 系统 毖型的数 l + 1 0 01 o o 1 6 - 6 4 k1 6 6 4 k 攒爨字节 数据密度小小离寓报高 很高 机器阅读 的可读性 好好费时间费时间好 好 受污染1 潮 弦严重缀重 可能 漤影薅 接熬) 无影响 受光遮盖 搬小 徽小可能无影响 影响 受方向和一个插入 位置影响 很小 报小无影响 方向 潍续速度 ( 包括数 瓴低 缀酶援纛 低 穰捷 q s一3 s 5 s 5 - 1 0 s, - 4 s o 5 s 描载体) 裁体与阅 1 c m 直接接触 读器距离 1 3 - 5 0 e r a0 5 0 e r a ( 指纹识直接接触 0 - 5 m ( 扫按器)微波 捌) 通过比较我f i 、j 发现射频识别技术与其他方式相比有较大的优点，主要表现在：稼 熬数据量大、机器可读性好、阅读速度快以及可以实现无线方式。w 见未来目标 爨麓识嗣搜拳发震豹主要方起是瓣频识聚技本。 上海交通大学硕士学位论文第一章鳍论 1 2 。2 射频识剥系绫 射频识别系统一般由以下两部分构成： ( 线圈、微波夭线) 图1 一l 射频识别系统原理图 f i g 1 - tp r i n c i p a lo f r f i d 庶答器：应答器成放置在要识剐的物体上： 阅读器：阅读器可以是读或写，读装置，取决于所使用的结构和技术。 工作方式 数据量 可编程 功能原理 数据载体 运行 能量供斑 频率范圈 应答器与阅读器 之翔翦数据特辍 工作方式 毽i - 2 簿蔟识列系统砖各鼹区爨耱德 f i g ，1w 2c h a r a c t e r i s t i c so f d i f f e r e n tr f i ds y s t e m s 3 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 一台典型的阅读器包含有漪频模块( 发送器和接收器) 、控制单元以及与应 答嚣涟接静藕合元俘。魏补，许多蓠读器还舔有辫翔懿接滔( r s2 3 2 , r s4 8 5 等) ， 以便将所获得的数据进一步传输给另外的系统( 个人计算机、机器人控制装置 等) 。应答器是射频识别系绒真正媳数据载体。通常，威答器由耦食元件以及 徽懿予芯片蕴成。在阕读器豹响应范围之努，应答器处予凭源状态。遥常，应答 器没有自己的供电电源( 电池) 。只是在阅读器的响应范阉之内，应替器才是有 源靛。应答器工住所需的能量，如同时钟脉冲和数据一栉，是通过耦合单元( 非 接触鹣) 传输给庶答器酶。 备种射频识别系统的分类特征如图l ，2 ，其中一个熏膜的特征是威答器的供 电。舞源酶应答嚣自己没有电源。因此，无源的应答器工作靛所有黧必须从阅 读嚣静电磁场中取得。与诧裙殷，有源静斑籍器包含一个电滤，为徽黧芯片觞工 作提供全部或部分( “辅助电池”) 能量。 射频识别系统黪男一争重黉特征是系统熬工 乍频率和作用距离。邋港把阅读 器发送时使用的频率称为射颡谈掰系统的工作频率。不考虑应答器豹发送频率。 在太多数情况下，把它叫做阅读器发送功率( 负载调制、反向散射) 。 器静发送频率基本上划归三个范潮：低频( 3 0 k h z - 3 0 0 k h z ) 、赛频 ( 3 m h z 3 0 m h z ) 和超高频( 3 0 0 m h z - 3 g h z ) 或微波( 3 g h z ) 。根据像糟距离， 射频识别系统的附加分类是：密耦合( o 1 c m ) 、遥耦合( 0 - l m ) 和避距离系统 ( l 臌) 。 按应答器回遴副阅读器的数据传输的备荦孛方法可戳分为三类：应瘸反勇| 、反 向散射和负载调制。 碰蔫反射与菠囊教袈兹频率特点是：反射波的频率与溯读器的发邀频率一致 即频率比为l ：l 。 负载调制的频率特点是：阅读器的电，磁场受应答器的影响，频率比为1 ：1 或 | ：l n ( 分谐波) 藏l ：n ( 应答爨孛产生豹蹇次谐波) 。 1 2 3 基千声表面波技术的目标识别系统 图l 一3 灸墓予声表瑟渡毅零戆蠡魂车辆鼋鬟麓系统翁承慧强，霾孛车载稼签采 用的是基于声表谳波技术的辨识标签。 4 上海变通大学硕士学德论文 第一章绪论 采用声表面波传感技术所 组成静驽标谖剐系统其有j 接 触( 甚至不可见) 、快速和价廉 等许多优点，并特别适合于对 运动越象静识剽。它可广泛纛 用剥诸如重要场所进出人员辨 别、自动停车场、路桥自动收 费系统的车辆识巅、夹车车辆 编组、交通线上的电子路牌、 仓艨靼商场重要货物静监譬等 方瑟“，。秘霜赔程汽车或火车 特窝部位的s a w 辨识标签，可 卜一书撇收发两甩机( 蛾株墼) ； 2 一路嫩溪取单元； 3 辫带娃理和存贮数据酎件算枫系撼 凿l - 3 声袁面渡蠡萌车辆识躺系统示意蘑 f i g 1 - 3s a w a u t ov e h i c l el d e n t i 母s y s t e m 实现汽车的不穆第收费和控镑g 避站歹8 车停黧位置达蓬米缴灼精度。由德髫s i e m e l a s 公司开发的挪威嶷斯陆汽车过轿收费系统黻及德国慕尼黧火车遗站患位系统，是 声袭面波技术在豳标自动识别中最典型的威用。 1 3 声表面渡鼓术凝凝 3 。 声表覆波及撩美器舞摄况 1 9 6 5 年美圆的怀特( r m w h i t e ) 和沃尔特默m v o l t m o v ) f f u 用叉措换能器在 压甑介质表面实现了声表面波翡有效激励朔检测之后，声表面波技术随着电子 学、声学、徽平藤工艺豹飞遴发震，得敬广泛震开舞取褥了关键瞧酌突缓。箕应 用融涉及到雷达、卫星通信、扩频通讯、广播电视、导航制导、声光调制、无损 检测、遥测遥控、识别定拉和传感器等众多领域。近1 0 年的国际i e e e 超声年 会审e 近5 0 的文章是关予s a w 技术静。 广义地讲，沿传播介质表面传播的声波均属于表面声波的范畴。根据不同的 边器秘介蒺条传可以激发出龟括，瑞剥( r a y t e i g h ) 波、乐潺( l o v e ) 波、兰姆( l a m b ) 波、漏剪切声表颟波以及快速声表面波模式鼢准纵漏声表瑟波等不同模式的表面 声波。当前最常用的声表面波模式是r a y l e i g h 波，其传播速度低予同一传播方 5 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 向的准慢切变体波( q u a s i s l o ws h e a rb u l kw a v e ) ，其能量主要集中在介质表面 尼个波长深瘦国。交于声表露波是在奔震袭蠢进行挨稠传撵，骈黻倍患敬注入、 撮取、处理都很方便地实现。相继出现了许多各具特甑的声表面波器件，主要包 捺：滤波器、延迟线( 固定延迟线、抽头殛迟线、色散惩迟线、编码延迟线) 、振 荡嚣( 强定频率叛荡器、压控频率振荡器、诞频振荡器) 、陀鳔、卷积嚣、疆关器、 编码器、声光调制器、声光偏转器、声光开关、触摸屏、超声马达以及传感器等， 其中使用在移动通讯中的基站鞍手机射频釉中频部分浆s a w 带通滤波器年使用 爨澄途3 0 亿伟，新兴酶汽举行数、医学行鼗玟及工潼暾用的需求将邂步惹上毫 讯市场的需求【4 _ 7 。 ，3 。2 声表露波传麟嚣撅速 声表面波传感器是s a w 技术的一个新的应用领域。该技术一缀出现，立即 弓l 怒了传感技零器豹极大关注。至l 基兹热壹，謇际上融磺裁了一定秘类翡s a w 传感器，总的来说，主要分为两大类1 4 , 5 1 ： 物理量传感器：力传感器、应力t 嗷变传感器、臌力传感器、加速度传感 器、溢度传感器、磁场砖感嚣、毫压转感瓣、 爨菸度蕊戆嚣、流量臻凑器、承声 传感器等等。 化学量传感器：气体传感器、湿度传感器、液体传感器等等。 当翦，声表嚣波黄感器豹职究在发达溪家歪楚于发疑羚毅，嚣嚣程整令超声 领域中所处的地位越来越重辨。这表现在谢关声表面波传感器的文章在国际核心 刊物和重要会议中所占的比煎越来越大，篡原因如下： | ) 声袭嚣波黄感器爨寿凝毫戆灵敏废，霹 冀捡涟蘑其它簧戆按零缀戆 测别的信号： 2 ) 该传感器为频率准数字信号输出，便于信号采集和处理，在传输过 程巾凌模稼量痿移魏於雾干裁辘力强； 3 ) 传感嚣可以编碣，便于多点测爨； 4 ) 具肖处于射频频段的优势，可以直接进行遥测； 5 交予表覆渡豹邃庭院毫磁波诋5 个数量级，蠖手电子元转动揍，瑟 以研以无源遥测； 6 上海交通大学硕士学位论文 鳐一章绪论 6 ) 表面波器件采用集成电路工艺制造，便于标准亿、小型化鞠低戚本， 并可滋与其它电子元侔褶集成，铡 乍智缝纯黪徽倍感器： 7 ) 其本身还是贴片元件，符合现代电子元件的发展趋势； 8 ) s a w 传感器大多线槛瘦很好，比如s a w 频率变化与温度、应力呈 高度线浚关系； 9 ) 声表丽波具有表面质量敏感性、温度敏感性、力敏感性等，可制作 多种物理量、化学爨和生物量传感器，属于平台性技术，多静传感 技术帮胃淡建立在遽令平台上。 1 0 ) 声表谳波器件是纯凭源的，由于洙使用半导体器件，利用的是晶体 表强的弹性波面不肇涉电子的逐移过程，因i 墩它可以承受麓速辐射 帮大功率电磁干扰。 总之，s a w 传感器正以其独特的优势越来越受到传感器行业的青隙。近几 十年来，s a w 技术、电子技术以及徽平瑟工蔑鹣不断发鼹，曼是为s a w 转感器 提供了良婷的发震奖枫强引。 目前应用的大部分s a w 传艨器都是属于宥线s a w 传感器，它的核心敏感 元件怒s a w 振荡器，该振荡嚣豹谐振元彳牛燕要有三秘：s a w 延迟线、s a w 单 端谐振器、s a w 敝端谐振器，觅图1 - 4 ( a ) 、( b ) 、( c ) 。 ( a ) 哑露圃 图1 - 4 几种谐振元件 ( a ) s a w 延迟线 ( b ) s a w 单端谐振器 鼢s a w 双端谤缀器 f i g 1 - 4s e v e r a lk i n do fr e $ o l i a r l c cc o m p o n e n t s ( a ) s a w d e l a yl i n e 渤 暑黧慧然竺 s a w 振荡器传感的基本原理是根据所需敏感的物理量或化学量，适当设计s a w 7 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 振荡器，使它对一定的微细干扰敏感，并转换为对频率的测量。将制造好的s a w 纛荡瓣嚣于一些躲毽和往学量瓣交往孛，表蕊波的传疆速度秘振荡频率将发生变 化，寝面波传感器的特征是将待测量转换为振荡频率的测超。 从传感器的工作类型和相殿的检测机理来看，声表面波健感器基本上可分为 两大爨：延迟线娶和振荡器銎。延遮线型振荡嚣和谐振登旅荡器静振荡鞭理并不 完全相同。前者主黢是由两个叉指换 能器( i d t ) 中心躐决定的相位反馈 敷及劲t 的选焱作用丽产生蕊定频 率的振荡；后者依赖于s a w 襁两个 反射栅之闻来强发射蔼形成的驻波。 延运线振荡嚣鲻是由一缀袋嚣 波发射、接收叉指按能器和反馈放大 器组成，如1 5 所示。延迟麴绩鼍经 放大飚返回至g 激翩义指挟齄嚣以傈 图1 - 5 延迟线型s a w 振荡器的基本结构 f i g 1 5b a s i cs t r a c t u r eo f d e l a y i n g s a wo s c b l a t o rs c r s o f 持振荡状态，此时，其振荡频举由下式决定： 厂。兰f 撵 。 fl 上式中，匕为s a w 传播速度，z 为两个i d t 的中心距，胛是取决于电极形状和， 懿委熬数( 一觳为3 0 - 1 0 0 ) ，蠡渊) 爻反镶蚕鼹懿耱穆篷1 1 3 l 。 谐振器型传艨器是将发射接收叉指换能器置于两个众发射的反射极问组成 的。叉指换能器激发的表面波豳反射攫阵列反射回来并形成驻波，构成类似体波 振予豹谐振状态。s a w 谐振登掇荡器静频率强统一敷下式表示： f=2p(1-2) 式审p 为反射条带审心距。 8 、；， 杰磊 上海蹙通大学硕士学能论文 第一鬻绪论 幽式( 1 1 ) 和( 1 * 2 ) 可知，任俺量只要能# | 越u 、? 竣p 发生变化，教会改变s a w 栽游嚣静淼荡频率。其敏感舔毽哥掰盈i - 6 表示。 韩界执动 铡懿：戏力、 瀵度、气嚣等 s a w 速度或器片 凡衙最。寸发生变记 s a w 攘蒺熊 鬏率发生交他 爨1 - 6s a w 传感器敏感爨理 f i g 。1 - 6t h es e n s i n gp r i n e i p l eo f s a w 1 , 3 3 声表巍波黎律魏琵线威麓 声表瑟波器 孛零身熬麓频将魏傻褥声表嚣波褥感器鬻适合予燹深魏并进 行遥测。耄予声袭霆渡戆邃泼魄鬯驻波低5 个数量缀，瓣凝瓣无线激羧信弩胃鼓 被存髓在声褒瑟波器俘中，产象激精信号与葳射信弩酶蘸辩，麸 嚣便予毫予无释 动作，完成磁、魇向链路过糨我时间域上的分离，从而实现声表面波传感器的无 线遥测、瓣疑鼗豢熬无线蕊臻。美黧p e n n s y l v a n i a 大学戆予及声学糕瓣工器磅突 中心利用声袭露波蛇反射特性研制的基予饕达原理她无线滠度传感嚣是第一个 声液面波无线传感器。之后，分别研制成功了温度、力筑、驱力、威力、加逋度、 羲动筹蕊璎爨酌灏鐾盼糯。遮琴孛无线无嚣麴s a w 鼗感嚣霄凑诲多攫簧戆筑点， 如： l 。 壹予它愚一漭无濠器 警，不霈要强籍邀逮势整源，霞诧维护拣擎 2 蠢灸信号豹发袈，凌收装置鬻没有电线连接，霹方馒鹣矮予i 绶皴溺量； 3 。可篇子恶劣的环境中，如虢脏、多获、潮濑、冀空、强电磁场、撼光、 极端温度、穰爆炸您黢的场金； 4 哥爝予苓荔瓣达蕊滤方。魏瓣麓审黛空阉，移凌戏旋转郊黪； 1 4 课题研究的内容 讦对基于声袭稀波技术的自动谖剐系统设计中的问题，本文觚蒸本骤理入 手，放整钵烈翳郄，蔹次分掺? 揆识标签、收发极、数繁系统蚕珏臻譬不隧漉程 9 上海黛通天学硕士学使论文 帮一章绪论 功能的实现。 辩二章获辨谈撂签戆工终缀瑾天手；簿椽签设计中戆蚤顼参数逡行了努 析，最后通过实验证明了声表丽波辨识标签符合目标识别的要求。 籍三章从收发机的测量原理入手，结仓系统设计思想完成了具体媳路的设 舌 。 第四章介绍了双通道高漶数据采集系婉的构成，对收发机的控制方式，最 后给出了实测数据的强线拟合结聚与实际峰值的比较。 第五章通过踺f p g a 芯片黔功能爱诗，使数采模块荀溢采露不薄方式实褒 信号采集处理，使杀统可以适臌不同的需求。 1 9 上海交遗大学硕士学位谂文第二窝辨识标靛 薰：牵辫谖标签 声袭箍波辨识标艇箍声表露波强标识鄹累绞静孩。洛部分乏一，辨识稚签静 嚣项搔拣的妊环纛羧彰骥到整个谈魏系统靛瞧姥，本章簌瓣谖檬签的工季擎藤淫入 手，分析了标签设计中的各项参数，实验验证了声表面波辨识标签的性熊。相成 翳售号处蠼电路秘方法辩反射僖譬进牙处理秘缀鹨判甄，扶露毙达型奏效戆鐾禄 标签识剐。 2 1 声裘西波辨识标签工作原理 声袭简波无源辨识标签主要内服电罄片、义指换能器、天线和反射撩缎成。 a 谚 炙 匿玉l 声袁蠡波辨识橼饕愿理 r i g 2 1t h ep r i n c i p l eo f s a wt d t a g 辨谈标签工作舔纛麴强2 - l 掰承。通过带主动蓑天线鼢瓣颓穗号发射国搿颓躲 冲信号詹，辨识标签传感器经由篡灭线接收，滚信号传歪叉指撩能器，出于基片 姻遂嚣毫效应，魏笺嚣激发塞羁鞭麓s a w ，该s a w 蹬蒸冀裘瑟传臻，饔遮一系 列紧密搂列编码憋反射瓣居，部分能量褥戬反射隧叉指羧髓嚣，通过基煞姻压魄 效应再次转变成电磁波由天线发射阐来，接收系统即可得到一系列编码爵勺高频阐 滚落号鲡瀑2 2 ，密牧茨攀元接投辩信号疑瑾蟊以辨识不露翁嚣轹。 上海爨通丈学硕士学位论文 第= 辩辨识标签 卜嚣件周围电磁嗽声一l 卜橼嫩菔艚叫 蹦2 - 2遥测发射与返回信号 f i g 2 2i n t e r r o g a t i o ni m p u l s ea n de c h o 声表面波标签传感器的反射极可看作怒条形码般的编码装置，如谯反射极区 域能搬置3 2 条标签条，则回波信号可得到2 3 2 个状态，w 分别表示不同编号的车 餐、集装籍、工秘、久或魂戆镣蓬蠡疆餐谈聚。 为提高辨识目标的种类，程大容量的反射栅的情况下，降低辨识标签的插入 损耗，提高反射信号的能量，从而提高无线接收信号的傣噪比是实用他的关键。 下嚣孝 对开关键羧整i d - t a g s ，分褥了揍驻器捂对鼗、缓熬器与第一爱瓣攘之阗 的飚离、反射栅之间的距离、奈属化厚度等参数的确定。根据压电基片的特性合 理选淑基片的切向，并从工作频率、频带宽度及加工精度的角度来设计辨识标签， 包錾，叉指换麓嚣的指宽、稽瀚箨箨对豢戳觳反射疆参教翡设计。 2 2 辨识标签的设计 2 2 1 叉指换能器 凌王 乍频段，i d 。t a g 中的叉揩换能器皮热有小的插入攒耗，因此农结构上采 焉攀商叉指换能器以代替双向义指换能器，可减少6 d b 辩趣损耗f 研。 由于输入端存在换能器电容c t ，降低了电讯号转变为声信号的效率。通常采用 串联电感b 进行题酝，这必然要影璃换能髅瀚带宽。蓉馒叉指换能髅的带竟达 到最大，必须使声学包和电学筑相等，即； 包= ( 寺= g = 虿( 臼o c r = 郦2 ( 2 _ 1 ) 其中，t ：为机电祸合系数；n 。为叉指换能器的指对数；0 是归一化电导系数， 1 2 上海窝蟪大学硕士学位诧文 爨= 黎辨谖糍签 黠每髑期双撑豹叉援按毙器鸯蠢= 2 8 7 1 2 。 采瘸帛联谐菝将叉掩换能器静输入阻抗在谐滚颓率辩器聚辩r o = 5 0 鼗，戳簿低与 乡 按天线盼隧技不逛酝所造成瓣叉损謦曩多次葳射。该媳感b 诳计算砖； 毛2 茂o 沼2 魏时，换能器的孔径w 鑫下斌确定； 堡。堕( 2 - 3 )“ 曼燃e 毪毛 其中，毪先叁蠹裘糕豹波速，氏受蠖废为一辩魏有效舟曦紫数。 霉2 - 3 豁蒿加载靖嚣缔辩率响藏翡静嗨 f i g ，2 - 3t h em e t a l i z a t i o ni n f l u e n c e0 1 1t h ef r e q u e n c yr e s p o n s eo f s a wd e v i c e 在甄焱簇拖攀纛h 请稳下著怒路麓鲞存 凑敲褒，叁摄凌瑷论搿褥嚣盘予盘器爨零； 起瓣遮发扰动为； 擎：器磊娶掰，籼( 2 - 4 ) z矗 其中：m 。为叉攒撩能器电极引越的阶机械效应；v o 、嚣2 为袭面自由化的s a w 上瀑交遗失学硬壹攀德论文第= 霉辨谈标链 浚遴鼗罄冀魏揽邂攀食黎鼗；热= 壤攀幸童囊! ：! 器楚粼窀慧遴爨莲翡逮 度撼爨；毫( 砖炎憋谴戆蕊数：警受众。霭能攀。 壅戮2 。瑟暴熬待真霹戳看篷巍髓建熬凌羹秘羧菠褥嚣张攒攀戆痊熬黻文篷麓漶 了2 7 0 i 链i z 枣；鑫、灏牵。魏舞，狳襻耋赛黼露露意筵毫套逮斌颟察蕊蕊。滚藐癜程 设计必指换能嚣f ； l 揩宽时充分潦虑上述影响，从而使得激线激励信号魑旗件的安 器黉楚瓣孛；蚕焱攀爨蠢黎，戳鼹赛袋汝甏戆茨嚣蘩孽鹣蕊臻淀。 2 ，2 2 藏躲疆 ，誊蜜器嚣翰清蔑下，霪褰漂涟霆黪懿蓑蒸黎容耋饕溉下，鬻簸器释搂天藜糕、 傈诫凝射回波德姆潜度一致谶以及在储号“0 ”与“1 ”之间的幅度麓躞。反射栅 主搽霄嚣籍褥条、黼薅褥条弑勰冀指三耪，袋瓣褥魏耱瓷、帮嚣方式激葳虢耱稳 参数簿敷菇簦液嚣寒嚣瓣。餐袋爆嚣貉艇条窝簸路甏象镩涛交瓣蘧，强稳在鼗纛 像鬻上安排或散消反射栅，分潮辩成“t ”、“0 ”编码。狷众多的目标滞不同的簸 褥辍整与之一鼯寝静戆爨下。显然套造娥鹱瓣基渡髂弩浆疆禳、遮懑辩瓣麓零 一致，繇蠢嚣藤了浚嚣熬工壤零。 采藕廷拯换翡瓣冀爱瓣撵辩蒸菠冀量蓉鼗鬻撼嚣多 搂黼拣受载鲮零瓣鬻囊钝， 即： 叶蚤 嚣= 砖 牛耳 争蓦 + j k 面i 蝌d 菇孛擎淞 珏冀譬媳裟爨密t e b o l k 是罄纛鼹爨魏一彝装添誊炭麓渡癸觜捺憨豢麓 端箱l f 雄端l 端谱3 ( 电学端) 端鞴2 萨端2 ) 隧冬4 黛搪挟能嚣酌p 麟阵示意蹲 f i g 2 - 4 孙獭缒 xm o d e lf o ri d t 上海交遗太学硬士学靛论文赫= 帮辨谈耩彗 矩绺模型【2 3 】。有关该模型的详细捶逃见， m 巍。一笺割 ! ； 添 k 、，一 f 懈 ff惹黠、 f 涵惑 惫 爨2 - 5 基瓣撇秘葳瓣系教与纷按蚕载磅凝器 f i g 2 * st h er e l a t i o n s h i p 融w 群n 馥em 隆瘫。冉# 蝴臻蠢懿e e f e 蠡e e 蜘ra n dt h ee x t e dl o a d 制崩这种方淞w 以方便地对全部潦排成泌指反射栅的i d w t a g 程器件外部完 裁缀鼹。逶建诿繁努罄囊载大夺，笺菠交爱黼叉摇揍麓器麓参鼗，方程逮控骥爱 戴祭数的大小。海减小多次蔽瓣的影响，缚个反射褥斡最大反射系数廒满熙滩； 霆。竺二! ! 丝 ( 2 嘞 0 霹2 8 一娩2 十群一蛩 式中，d 。悬“l ”、“0 ”编粥的反射倍号的稍值变化范丽：n 为每个通道上布置 上海交强大学颐士学控论文 第= 辩辨识标签 的反射栅数目；c 鼹为保证反射傣号嚼值的一敬性面加入的补偿因子，露包含了 下面两耪撰耗： 1 声波在传播路程中的损耗l 舯p 2 避透射邋一个爱辩叉指辩霉i 起嚣波转换熬损耗蕊及农滚瑟搔另一边缘怒反 麓瑟产垒豹损糕之期拣为透蓥砉援耗l 。，葵掰裟示为： r j c2 q 。己 毫= v ( 1 一三，) ( 2 7 ) l # 2 = 矽( 1 一三一) 虽然攫蕊频率可曼点傻! 罄叉指换自建器秘爱射搬黪搔条宽发交小，鼹劳不女& 擎缝提褒 声表面波器件的工作频率来减小熬个s a w 器件的尺寸壮5 1 。酋先，由予声表西波 憨簧摇损耗与颓率骞关，频率越鹾攮耗越大；羹重要懿是，在忽晦多爨效鑫积湿 度的影响下，整个器件的尺寸与器件采用的颁率无关，丽倪与反射栅之间的排列 距离驳凝蘑采黛幻蒸片糖精有关。遗过瀵取燕佟播速度的蘩冀鞠减孛叉搔换麓器 与爱射糖鞋及菠羹季撵之阚斡蹬密才能谶，l 、整个s a w 嚣转戆足, - y 。毽受瓣下述添 素的制约： 叉指换鼹器在受到熬冲激融时会产生援烈的瞧磁壹遗镶号驰熟缆波形辩啜声予 撬，该予撬及发麓弧溺疆静反辩于挠倍号堇隧越衰减，第一条菠翥| 穗藏鼹湃该簿 阚段憝影响。毽延避鼹褒过长不艇会嚣谖壤女g 键射襄波寒攘囊夔影睫，嚣怠璞麓 了器件尺寸，器致传搂损耗增加。 交予簿象爱莉撼在耱器环凌交纯黪，冀辐对于必撵换嚣羚鼹离交髻二不一致，露 此，在避免码间串扰的情况下，第n 条反射栅与相邻的第舢1 祭反射栅乏闻的最 小蹲l 为： t o o = ( i + t k ，a t ) t ( n l 手2 a 。- ：_ d 肚 英孛，t ( n - t ) 5 第1 1 - 条反袈爨您叉搓按器之勰豹避越；盎t 燕器枣 搜溪遵糕中 温度熬激大变徒僮；t k 为基片耪释静濑度系数；。楚爨体的应用璐禽下无线 倍遴静最丈嚣惩扩袋。躲滓蠢城葳宽翔上器释本身三次霾没逡簸戆虚鬏德号，跫 影响无线辫识橡签傣号转输过糕中码闻串我的盘簧因素，它不能靠提赢发魁信号 臻率来降低误礴率。b r f 为无绒澈糙躲 率的宽鹰。该躲冲宽度受限予落母处理装 嚣的采榉速率、滤波器的带宽簿。在意频条件下，允许选择的笼线带宽可以大大 遵璺理盔兰堡主鲎燕堕壅 一楚兰翌篓塑堡篓 提黼 在2 4 5 g h z 嚣寸，叉攒换能器的带宽可以允许达剿8 3 5 m h z 。但同时无线 激激信号繁赛戆挺畿对售号憋琏装疑戆采样速率曳攫悫了簧袭； 2 3 标签健惑褥瓣实验溅遂黎分橱 必验嚣上述分掇，豢l 嚣了焱下声表嚣波器终。在l i n b 0 3y x - 1 2 9 。落磊毫 6j - 4 e b 0 s i i ，i0 0 鞭e 蔽尺e心l i ：p cs 善丁： 0 n黜 磺1 3 l 、 ， 龇b 1 专 一r 悖”“ k 矿 ；j “、 n 、 ，、耵 ， 1 豳2 - 6 编码为j o l l 的颇域响应 f i g 2 - 6m e a s u r e di m p u | s c 掷s p o n s ew f r e q u e n c y 霹2 - 7 壤鼹舜撼 麓盼域嚷燕 f 避- 2 - 7 m e a s u r e d i m p u l s er e s p o n s ev s t i m e o f a n i d - t a g w i t h b i t s1 0 t l 辩受遽夫学磷士攀往瓷文懿二章辨谖稼簦 基片上有叉指换能器a b 朝必个尺寸宠龛槽捌趵反射榭r 、昶2 ，鳓柳。飘体 晨专露：萋冀足孪逮袭蕊l 颡鼹6 r a m o 。6 m m ，袋豢黎慧嚣惑蓑攀蠢 2 7 0 m h z ，带窳蕊3 6 m h z 。、r 2 、和觏之间的鞭离为o 7 t u r n 。器件两端涂 鸯啜涔羧，转上乏鍪泞媾蟊声艇麓。爱麓穰轴秘瓠藤雾潆母誊掰，避拯熊下实虢： 突簸枣羹稼篷祷感嚣溪诗爱黪条逸蹲是鬻今。蓑一令器签蓉慧器骜鼗瓣哭搔激薅 全保持开路，渐对成编码为“1 1 1 1 ”；另一个标签转礴搽的擀二条艇甜叉指电路 巍器终辫装掺艇路，其余爱射叉撵署黪，辩瘦霹瘦壤鹈淹“t 0 1 1 ”。努裂鹫挺签 黄感嚣薅筹缡秘梵“t 1 1 1 ”繇“1 0 1 1 ”黪葳瓣臻应邀簿癸狳，实验囊要设备必 h p 8 7 5 3 e 弱终势爨役，耋臻辩发射按殴鼹勰接筢器热主铰零鹩球张激聚蔷譬， 嬲辩对发射按收叉搔抉能嚣上的电髂号滋行照测，编码必“1 0 1 1 ”麴壤鹞撂签 恭豢城、寒壤璃寝籍暴蠢瑟嚣黎鋈争? 磷辩嚣譬静辩蠛穗藏菇暴努瑟茺霪嚣喀 翻豳2 - 7 。 巍耍2 一? 书耐翔，玟黧个壤鹳证“l ”魏反射臻曝磺纛秀参磷，发射x 摆 挟魏器圭黪激感痿母舞3 6 ，然黼8 。繁二令绦鹚整戆蕊弩藩一1 3 。9 5 0 9 b ，簿三t 夺装 碣僦的信号为- i 1 6 8 9 d b 即编码为0 和为1 的反射晌膨幅度之差均材约十几个 努燕+ 璃薅濂瓣毙t 黧e 羲艇瓣蓉璃瘟睡蕊墩较丽溪漂声太鼗专势藤。遘遨髂号 疑壤魄籍可躐露教邈瓣反瓣鬻母遴裙照骥秽壤褥羯麟。 ：t 一 u * l g 群船 l ll i 蠢li 啊。 _鬟il 剿幽越黥 鬟l 矗。 瓣r繁嚣 鬻纛l 霾嚣鞯两稻 t i m 8 图2 8 犏码为1 1 1 1 的时域响成 f ；g 2 - $ m e a v a r e d i 础# 艇戳嫩黼翻 鑫魏黔麟磷蘸 1 1 1 1 黼 霉麓mw矮酶_醛墨砩 上海交避夫学硕士学位诧文 第= 嚣辩识标箍 实验结果表明，声表面波辨识标煞基本上符合目标识别的要求，濑过耀殿 麓灌号憝理亳羰秘方浚霹骧寿散蟪瓣爱露手痿号瀣学楚魏努缡避秘蹊，簌藤熊这列 有效的目标标签识别。 9 上海交避大学硕士学位幢文 箱三章倍母收发机蘸统 第三章信号数发撬系统 信譬收发枫主瑟竞成辣狰僚譬静袋薨| ，邋隧琢挣信号鹣接受等芏 窜。信号在 传输：l 建淫中由予隰靛骥配、器韩臻矮等因素，骥褥电磁波号辫谖标签的黼台嚣露 徽弱，辱致回波信譬也十分微弱。一般回波储等与发射信嚼的能量比为l o 6 ，微 弱数毯波信号傻褥梭测十分爨雉，这就要求遵测系统基有投燕驹蕊曝魄，辏巍麴 倍号邋断眈，嚣常稳定的信号潞等一系捌特焦。本章献收发械斡测量源遴入筝， 缝合系统设计瓣怒完成了吴体熬鼹麓设诗。 3 i 牧发巍测量簸璎 声袭嚣波嚣线疆棘识裂系统蠹茏线激藏搂浚装鬟_ 窝纛线镥惑器缝藏，懿强 2 一i 瓒淤。当s a c 嚣掺煞叉摇羧缝器( i d t ) 接上天线，爵敦蜜瑰无线激瓣。甄 3 一l 受笼线发射豫洚尊返嚣赫沸髂号豹辩亭鹜。由于声衮藤波静速度浅电磁渡低 5 个数擞级，射频的无线激励储峰可以被存储狂声表馘波器件中，因此光线遥测 装霉魏获至援羧获惑嚣，经筵辩。，、一。、 。胃分舅按裁裂梭声表甏浚传感器 的反射搬反射飘来娩编码信息。 图3 - 1 无线敷射脉冲与返回脉；申信号的时膨躺 擎埝3 - 1 畦蕊魄辩霉t 圭e 甄c e 莲墨g 黜o f i m p a l s , a n d e c h o 在攀次查询丽朝t 。肉接收僚鸯通邈与接收税内的本振做难燮稽子解调，得到 两路反映稆位信意静信墨，低邋滤波嚣，获褥接收信芍豹麓褶位( i ) 帮正交桶 饺 s 十 4 骂s i n ( 2 掰r + 许) ( 3 2 ) 式孛；茹为激聚躲羚僖号轰攒攀； 识海激凝繁弩麓表示第i 个爱麓撩豹溜波信警瓣戆稚搜差。 缝低通滤波后，褥到两路蕊交信