无线无源声表面波传感器超分辨率测量方法研究

发布时间：2020-04-01 06:19

【摘要】：谐振型无线无源声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)传感器通过谐振回波信号频率的提取能实现远距离无线无源参数的测量,并且该传感器能用于高温、低温、高电压、高加速度、强腐蚀性、强电磁场等复杂环境。这些优点的存在,使得SAW无线测量技术备受关注。随着SAW无线测量技术的发展,出现了很多难以解决的问题,主要有:(1)无源SAW传感器回波信号能量低,有效信号持续时间短,且工作环境复杂,容易受到干扰,出现阴影衰减或被屏蔽的情况。而SAW传感器是非智能的无法对回波信号优劣进行甄别。因此,造成测量结果可靠性很差;(2)在测量距离小于5m的情况下,目前没有专门的算法对谐振型声表面波回波信号的频率进行估计,而是普遍采用的方法为傅里叶变换(Fourier Transform,FT)方法和奇异值分解方法(Singular Value Decomposition,SVD)等等。但FT方法的分辨率受限于回波信号有效信号时长,因此分辨率低;虽然SVD法分辨率更高,但遇到非平稳的回波信号,其频率估计会随着测量距离的改变,发生较大波动;(3)测量距离大于5m时,回波信号的能量已经严重衰减。虽然阅读器仍可接收到回波信号,但回波信号的有效信号持续时间已经非常短。目前没有效的算法,能在极短的有效时间下实现高精度测量。本文主要通过信号处理算法的研究,来提高无线无源声表面波传感器测量系统的分辨率、精确度以及可靠性。研究的主要内容包括:(1)根据声表面波回波信号的特点(由一段等幅值振荡的正弦信号和一段指数衰减的正弦信号组成的混合信号)建立信号模型,并对声表面波回波信号进行时频分析,提出一种“声表面波谐振器回波信号的甄别方法”。该方法能有效将被干扰的回波信号、被屏蔽的回波信号以及阴影回波信号与正常回波信号区分开。并实时在线地对所接收的回波信号的质量进行评价;(2)若测量距离在5 m以内,即有效信号持续时间(等幅振荡正弦信号)占整个回波信号的比例在10%以上,本文提出一种高精确度、高稳定性的频率估计算法“数字频率有效位数跟进法”。该方法不会因为测量距离的改变使回波信号频率估计结果产生较大波动,并能根据信噪比的不同,自行确定回波信号的数字频率有效位数,信噪比越大,所确定的数字频率的有效位数越多;(3)若测量距离在5 m至18 m之间,有效时间占比非常短(10%至2%)时,提出一种“超分辨率频率估计算法”。该方法利用凸优化来恢复频谱的细节,即使有效可观测样本点数量仅仅只有10个左右,也能高精度的完成回波信号的频率估计。
【图文】：

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延迟型工作示意图

示意图,谐振型,示意图

图 1-2 谐振型工作示意图.2 谐振型无线无源声表面波传感器的研究现状世界各科技大国，如中、美、英等国的科研机构或科技公司都对谐振型声波传感器进行了大量研究，并将其应用于多个领域，创造了很多有价值的成具代表性的有：辽宁工程技术大学的学者们研发了一种温度传感器，它能在避雷器、变压器等高电压和大电流的环境下工作[43]；南京大学的学者们研一种耐腐蚀的湿度传感器[44]。英国 Transense 公司研制出了无线、无源胎压传感器，能在高旋转的环境下，实现了压力分辨率可达 0.4 帕斯卡，温度分可达±1℃[45-49]。在“智能电网”的应用中，一种采用频分复用技术的无线声表面波温度传感器阵列被研发，在温度为-45 ~ +120℃的范围内,可进行误±1%的温度检测[50]。谐振型无线无源声表面波传感器虽然有很多优点，，能在很多复杂环境下正
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TN65

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