基于頻域相位信息的聲表面波諧振器回波頻率估計

李亞飛, 陳智軍,2, 朱衛俊, 黃鴻偉, 熊志強

(1. 南京航空航天大學 自動化學院,江蘇 南京 211106; 2.南京航空航天大學高速載運設施的無損檢測和監控技術工信部重點實驗室,江蘇 南京 211106;3.中電科技德清華瑩電子有限公司,浙江 德清 313200)

1 引 言

聲表面波諧振器(surface acoustic wave resonator, SAWR)可作為傳感器使用,對SAWR回波信號載波頻率的精確估計是實現精確傳感的前提[1]。目前估計SAWR回波頻率的方法可分為掃頻法[2]和頻域變換法[3, 4]2種。掃頻法采用掃頻測強度的方式,測量速度慢、測量周期長。頻域變換法采用快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)方法,但頻譜分辨率有限。相關文獻在FFT基礎上提出了Rife插值[5]、拋物線插值[6]等改進算法。當SAWR諧振頻率處于FFT幅度譜中峰值譜線頻率附近時,Rife插值算法的頻率估計精度將大幅度降低[7]。與之相反,當SAWR諧振頻率遠離FFT峰值譜線時,拋物線插值算法的精度將降低[8]。

本文提出了一種基于頻域相位信息的SAWR回波信號頻率估計算法。在推導算法的基礎上,通過SAWR無線測試系統和仿真回波信號對該算法的性能進行了驗證,表明了該算法的有效性。

2 回波信號

SAWR由壓電基底、叉指換能器(interdigital transducer, IDT)與反射柵組成,如圖1所示。

圖1 聲表面波諧振器Fig.1 Surface acoustic wave resonator

待測對象變化時,SAWR的諧振頻率變化。對SAWR施加頻率為f1的激勵信號,回波響應信號為[9]:

(1)

式中:f0為待估計回波信號的載波頻率,與SAWR的諧振頻率fSAWR相等;A表示振幅;τ表示幅值衰減因子,與fSAWR及品質因數Q有關,τ=Q/fSAWR[10];φ表示初相位,為[0, 2 π ]范圍內的隨機變量。

3 算法原理

如式(1)所示的SAWR回波信號為幅度項、調制項、載波項的乘積?！?br>