基于频域相位信息的声表面波谐振器回波频率估计

李亚飞, 陈智军,2, 朱卫俊, 黄鸿伟, 熊志强

(1. 南京航空航天大学 自动化学院,江苏 南京 211106; 2.南京航空航天大学高速载运设施的无损检测和监控技术工信部重点实验室,江苏 南京 211106;3.中电科技德清华莹电子有限公司,浙江 德清 313200)

1 引 言

声表面波谐振器(surface acoustic wave resonator, SAWR)可作为传感器使用,对SAWR回波信号载波频率的精确估计是实现精确传感的前提[1]。目前估计SAWR回波频率的方法可分为扫频法[2]和频域变换法[3, 4]2种。扫频法采用扫频测强度的方式,测量速度慢、测量周期长。频域变换法采用快速傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)方法,但频谱分辨率有限。相关文献在FFT基础上提出了Rife插值[5]、抛物线插值[6]等改进算法。当SAWR谐振频率处于FFT幅度谱中峰值谱线频率附近时,Rife插值算法的频率估计精度将大幅度降低[7]。与之相反,当SAWR谐振频率远离FFT峰值谱线时,抛物线插值算法的精度将降低[8]。

本文提出了一种基于频域相位信息的SAWR回波信号频率估计算法。在推导算法的基础上,通过SAWR无线测试系统和仿真回波信号对该算法的性能进行了验证,表明了该算法的有效性。

2 回波信号

SAWR由压电基底、叉指换能器(interdigital transducer, IDT)与反射栅组成,如图1所示。

图1 声表面波谐振器Fig.1 Surface acoustic wave resonator

待测对象变化时,SAWR的谐振频率变化。对SAWR施加频率为f1的激励信号,回波响应信号为[9]:

(1)

式中:f0为待估计回波信号的载波频率,与SAWR的谐振频率fSAWR相等;A表示振幅;τ表示幅值衰减因子,与fSAWR及品质因数Q有关,τ=Q/fSAWR[10];φ表示初相位,为[0, 2 π ]范围内的随机变量。

3 算法原理

如式(1)所示的SAWR回波信号为幅度项、调制项、载波项的乘积。……