一种基于SAW的无线标签识别系统

声表面波(Surface AcoustIC Wave)技术是声学和电子学相结合而形成的一门新兴边缘学科。在该技术的基础上，现已经成功地研制出声表面波带通滤波器、延迟线、振荡器和表面波卷积器等声表面波器件。由于声表面波器件具有体积小、可靠性高、一致性好以及设计灵活等优点，所以在雷达、通信等领域的研究得到了广泛的应用。把声表面波技术应用于传感器技术领域在近十几年得到了很大的发展，目前，采用SAW技术来研制力、加速度、温度、湿度、气体及电压等一系列新型传感器的工作逐渐成为传感器研究的一个热点。

无线标签识别系统可广泛用于电子门锁、各种库门管理以及安全防盗等方面。另外，由于它具有获取信息快的特点，因此非常适用于自动路桥或停车收费系统、路标识别系统、铁路车辆车号识别以及列车准确停靠控制等系统[1]。

本文在延迟线型声表面波传感原理[2]和无线通讯相关技术[3]的基础上，介绍了一种应用声表面波技术研制设计的无线标签识别系统，并通过实验对同型号的标签传感器的不同体编码进行了验证。

1 概述

声表面波传感器的工作模式基础上可分为延迟线型和谐振型两类[2]，其中利用各种薄膜技术的谐振型传感器主要用来制作化学传感器，延迟线型则主要应用于温度、压力、应力等物理量的检测。

声表面波传感器的工作频率通常为数十MHz，甚至高达1～2GHz，由于其本身具有高频率信号输出和低功耗等特点，因而非常适合于遥测信号的传感和传感器无源化的实现[2]。人们在几年前开始研究利用声表面波无源器件进行遥测，并采用时间延迟方式研制出了时延式声表面波遥测系统。但相对于频率量来说，利用该系统进行测量不很方便，且测量精度不高，同时，遥测系统与无源传感器之间的距离对信号的延迟也有较大影响。本文所研究的无线标签识别系统虽然也同样采用了类似延迟线型的标签传感器的遥测，但由于系统是对标签传感器的条形码式反射信号进行判断，因而从原理上消除了对延迟时间的高精度测量要求和遥测距离对结果的影响等缺点。

声表面波传感器构成的标签识别系统主要由一个声表面波传感器标签、一个带主动式天线的射频信号收发单元和一个信号处理单元组成。信号收发单元主要用于高频激励的发送和标签响应信号的读取，信号处理单元则主要用于翻译标签代码并组成向计算机传输的信息(参见图1)。它们的基本原理是：收发单元经天线发射高频脉冲信号，声表面波传感器标签经天线接收至叉指换能器，换能器即产生声表面波，然后声表面波再通过一系列紧密排列及编码的反射极电路的反射后回到叉指换能器，最后由天线发射出来，以得到一系列编码的高频回波信号(见图2)。从而代表了不同的目标。

声表面波标签传感器的反射极可看作是条形码般的编码装置，如在反射极区域能布置32条标签条，则回波信号可得到2 32个状态，这些状态分别表示不同编号的车辆、集装箱、工件、人或动物等目标以供识别。

2 系统实现

2.1 标签传感器

无线标签系统的核心是声表面波标签识别传感器。该标签识别传感器主要由传感器天线、压电基片、叉指换能器和经传感器体外编码的反射极组成，其结构如图3所示。

根据压电基片的特性可合理选取基片的切向，并可从工作频率、频宽宽度及加工精度的角度来设计叉指换能器的指宽、指间和指对数等参数。在设计反射极电路时，主要应考虑反射效率、躲避激励信号所引起的体波噪声对反射信号的影响并应有效避免三次及多次回波对编码信号的影响。

当反射极电路处于开路或为感性负载时，反射极电路将对来自于叉指换能器产生的声表面波进行反射，而当相当反射极电路短路或为容性负载时，反射极电路对声表面波的反射能力显著下降。这时可以通过改变反射极电路的状态来达到对反射极的体外编码的目的。

2.2 信号收/发及处理

标签传感器由一个短暂的高频脉冲(这时用270MHz)来激励，一旦激励去除，它即以相同的频率反射同一个阻尼衰减的正弦振荡。其回波由相应的接收电路检测、解调和输出。高频信号的收/发及处理电路采用类似于无线系统的高频信号处理电路，具体框图见图4。高频激励信号的发送和传感器回波信号的接收均由非接触方式来实现。设计时应参考中国无线电管理委员会对无绳电话要贩发射功率的限制，其允许的信号发射功率为20nW，在声表面波工作频率为270MHz时，有效遥测距离约为3～5米，系统的幅度分辨率为10分贝，相位分辨率为正负1度。

高频激励脉冲以100kHz的频率周期性地进行发/收转换，因此每秒钟可完成多达10 5次测量。一个周期(约为1ms)内发送时间约为100ns，其余时间为接收时间，在发送期间，大约可传输120个波长的正弦波。

在接收期间，回波信号通过放大器输入到90°相位差的信号解调电路，分别得到由式(1)和(2)表示的信号。

式中：

ω 表示激励脉冲信号的角频率;

表示激励信号与回波信号间的相位差;

式(1)和(2)分别代表回波信号的同相分量I和正交分量Q，

两信号经低通滤波器去除高频分量cos(2 ωt+i) ，再经快速A/D转换为数字量输入到计算机进行运算，解得的相位差为：

i=tg-1(I/Q) (3)

回波信号的幅值由咖外的A/D转换变换得到，与相位数据相结合能够得到整个信号时域响应的离散数据，系统通过对响应数据进行处理和分析即可得出标签目标的编码。

3 实验测量

标签传感器件基底采用机电耦合系数较大且温度系数较小的LiNbO3压电晶体为材料，取YZ切向，基片尺寸为10mm×6mm×0.6mm，叉指换能器电路和反射极电路应用了薄膜技术制备，它覆盖的薄铝的厚度为0.1 μm ，指宽和指间均取2.8 μm ，标签传感器的中心频率为270MHz，带宽为36MHz。在传感器封装之前，叉指电路和反射极相关电路由引线引出，并在体外分别接微带天线并进行编码。

实验中的标签传感器设计四个反射条电路，并对标签传感器外编码为1011的反射响应进行了实验，其实验结果见图5。

从图5中可知：编码为1和0的反射条的响应幅值较环境噪声大数十分贝，同时编码为0和1的反射响应幅度之差约十几个分贝，通过信号处理电路可以有效地对反射信号进行处理和分辨。实验表明：标签体外编码基本上符合目标识别的要求，能达到对目标标签的有效识别。

4 结束语

声表面波识别技术是一种新兴的技术，在用于不停车车辆自动收费自动识别方面(AVI)，它具有低能耗、抗环境干扰能力强、快速数据读取及传输处理和低价格、小体积等优点，而且具有极强的实用性。

体外编码的标签识别系统避免了不同目标需要设计不同的声表面波传感器反射极的问题，从而为该系统的铺平了道路。为简洁起见，在实验中采用的只是四位编码，实际上，在同样的声表面波信号传输效率下可采用相关技术来增加反射极，以使其扩展到八位或十六位编码。

当然，为了进一步有效地扩展编码位数，还需对声表面波信号的传输效率、反射电路的设计以及信号数据的处理技术等方面进行深入的探讨。同时，系统在如何避免统一型号的多个目标同时出现在有效识别范围内所引起的识别混乱，以及遥测距离对回波幅值的影响等方面有待于进一步的研究和处理。

随着声表面波技术研究的不断深入以及在目标识别系统中可靠性的提高，应用声表面波技术设计的运动目标识别和定位系统必将具有广阔的发展前景。