时域加窗技术改进无源无线SAW传感器测试研究*

邓森洋, 张万里， 彭 斌， 郭珂君， 蒋中东， 曾义红

(电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 四川 成都 610054)

研究与探讨

时域加窗技术改进无源无线SAW传感器测试研究*

邓森洋, 张万里， 彭 斌， 郭珂君， 蒋中东， 曾义红

(电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 四川 成都 610054)

无源无线声表面波(SAW)传感器能工作在十分恶劣的环境中监控温度、应变、扭矩等因素的变化。利用无线测试传感器的群时延特性能方便地获得SAW传感器的谐振频率。但在一些复杂的环境中无线测试时会遇到环境反射的问题，此时测试的群时延曲线会产生畸变，不利于提取SAW传感器的谐振频率。利用测试群时延特性的方法搭建了测试系统，对测试结果使用了时域加窗技术。结果表明:时域加窗技术能够有效抑制环境反射对群时延的影响，这对于提高无源无线SAW传感器实际应用中的信噪比具有重要的意义。

无源无线SAW传感器; 时域加窗; 群时延; 环境反射

0 引 言

基于声表面波(SAW)谐振器的无源无线传感器由于具有高Q值、成本低、无源无线等特点，可以用于无线检测恶劣环境中的温度、应变、扭矩、压强等因素的变化情况[1～5]。收发系统是无源无线SAW传感器应用的关键之一。激励信号通过系统的收发天线辐射到空间中，传感器被无线激励后再将传感器信号反馈给收发系统，最后根据SAW传感器的时域、编码或频域等特性提取传感器信息[6～10]。然而实际应用中传感器周围的环境会对激励信号产生反射[6,11]，此时收发系统接收到的信号不仅有传感器信号，还有环境反射的噪声信号，这些噪声信号极不利于系统提取传感器信息。因此，从包含大量噪声的信号中提取出传感器信号，对无源无线SAW传感器的应用具有重要的意义。

本文基于检测群时延的方法，搭建了无线SAW传感器的测试系统，通过矢量网络分析仪(简称矢网)无线测试了SAW传感器的谐振频率，研究了时域加窗技术在信号处理中的作用，结果表明:该技术能有效抑制环境反射噪声。

1 基本理论和方法

1.1 无源无线SAW传感器测试系统

SAW传感器相位在谐振频率处会发生突变，相位的变化率(即群时延[12])会在谐振频率处出现很尖锐的谐振峰。

当外界因素(温度、应变等)发生变化时，群时延谐振峰会发生相应的偏移，因此,可以利用群时延特性搭建无源无线SAW传感器测试系统[9,10,13,14]。

本文利用群时延特性搭建的无源无线SAW传感器的测试系统如图1所示[13,14]。该系统采用矢网端口1产生激励信号，经功放、隔离器、环行器后到达探测天线辐射出去。SAW传感器接收到空间中的激励信号后再利用传感天线辐射回波信号。探测天线接收到回波信号后经过环行器、衰减器进入矢网端口2。最后计算机自动处理矢网测量的S21群时延数据。

图1 无源无线SAW传感器测试系统

本文测试的SAW传感器在室温下谐振频率为433.92 MHz，矢网的频率扫描宽度为10 MHz，扫描点数为1601个。当环境反射比较弱时系统测得的群时延曲线如图2所示，群时延曲线存在一个很尖锐的谐振峰，该峰对应的频率即是SAW传感器的谐振频率[9,10,13,14]。

图2 正常情况下群时延曲线

图3 三种严重畸变的群时延曲线

但在实际应用中，测试环境经常难以预料，并且比较复杂，存在很多的噪声源，比如，探测天线发射出去的电磁波往往受到周围复杂环境的反射而又被探测天线接收，这种不希望的噪声信号和传感器信号一同进入到分析仪器，极大地降低了系统信噪比，使其难以从测试信号中提取传感器信号。本文在测试过程中，通过移动测试环境中的金属背景来模拟实际的复杂测试环境，发现无线测试SAW传感器时主要遇到三种畸变的群时延情形，如图3所示。图3(a)～(c)分别是群时延曲线在谐振峰处、谐振峰右侧、谐振峰左侧发生严重畸变的情形。

由图3可知，金属背景反射引入的噪声使得群时延曲线发生了畸变，谐振峰附近出现了很宽的波峰或波谷。比较严重的情形是波谷正好出现在SAW器件的谐振峰处，如图3(a)所示，此时计算机测试程序很容易误判谐振频率。由于波峰或波谷位置与谐振峰位置很接近，并且随着外界待测物理量的变化，SAW器件的谐振峰会左右偏移，因此,很难在频域内加窗来消除环境反射的影响。

1.2 时域加窗技术

在信号处理中，对无限长的时域信号有限化的过程即为时域加窗。矢网测得的曲线是连续扫频的结果，利用离散傅里叶逆变换(IDFT)将其变换至时域后，选择合适的窗函数在时域内进行截取，最后再利用离散傅里叶变换(DFT)将其变换至频域，这便是矢网的时域加窗技术。采用这种技术可以消除许多非期望的反射、散射信号[15～17]。

离散傅里叶正反变换定义如下[18]

其中,WN=e-j2π/N为离散傅里叶变换隐含周期性，周期为N。

常用的窗函数主要有：矩形窗、汉宁窗、哈明窗、凯泽窗等[18]。由于在无源无线SAW传感器测试系统中只需得到谐振峰对应的谐振频率大小，不考虑谐振峰的幅值精度，为了简化处理过程，仅需采用最简单的矩形窗进行截取即可，矩形窗定义如下[18]

其中，P为起始点，Q为终止点。

1.3 时域加窗处理方法

为了消除环境反射引入的噪声信号，本文采用时域加窗的方法对测试得到的群时延曲线进行处理。其具体过程为：

1)利用IDFT将图3(a)所示的群时延曲线变换至时域，结果如图4所示。由于采样因素，时域信号出现左右对称的两个信号[16]。环境反射引入的噪声使得群时延在起始时间内出现尖峰信号，它的幅值比传感器信号的幅值大许多，此时能很清晰地区分环境反射噪声和传感器信号。

2)环境反射对回波信号的影响主要出现在时域信号前几百纳秒至几微秒内，因此，只需将起始时间内的尖峰信号截取掉，即可消除它的影响[6,11]。本文选择矩形窗截取群时延的时域信号，如图4所示，仅保留虚线矩形框内群时延的时域信号。

3)将图4中虚线矩形框内群时延的时域信号通过DFT变换至频域，结果如图5(a)所示。采用相同的方法，对于图3(b)，(c)所示的测试结果经时域加窗处理后的结果分别如图5(b)，(c)所示。

图4 时域内的群时延曲线

对比图3和图5可知，经过时域加窗处理以后，群时延曲线中谐振峰附近不再含有环境反射噪声引入的波峰或波谷，此时计算机测试程序能够很容易地跟踪群时延最大值，从而确定谐振频率。这表明时域加窗技术能够有效抑制环境反射对群时延的影响，运用该技术的无源无线SAW传感器测试系统可以帮助传感器工作在更加恶劣、复杂的环境中实时准确地提取出传感器的谐振频率信息。

图5 时域加窗处理后群时延曲线

2 结 论

本文基于测试群时延的方法搭建了SAW传感器的无线测试系统，研究了时域加窗技术对提高系统信噪比的作用。测试结果表明：在无线测量过程中环境反射噪声使得群时延曲线发生畸变，不利于计算机测试程序自动提取SAW传感器的谐振频率。而采用时域加窗技术处理后的结果表明：时域加窗技术能有效抑制环境反射对SAW无线传感器群时延的影响，明显改善传感器群时延曲线，有利于计算机测试程序实时准确地获得传感器谐振频率提取传感信息。因此，将时域加窗技术运用在无源无线SAW传感器测试系统中有重要的实际应用价值。

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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

国家自然科学基金资助项目(61223002)

TN 98

A

1000—9787(2015)03—0008—03

邓森洋(1990-)，男，四川巴中人，硕士研究生，主要研究方向为无线传感技术。