[发明专利]基于声表面波器件多频段相位信息的距离测量装置及方法

说明书

本发明公开了基于声表面波器件多频段相位信息的距离测量装置及方法，用于测量读取器和传感器探头的距离，所述传感器探头包含三个声表面波器件：SAW‑RFID芯片A、SAW‑RFID芯片B和声表面波谐振器；所述SAW‑RFID芯片A的工作频段为2.4GHz至2.44GHz，中心频率为2.42GHz；所述SAW‑RFID芯片B的工作频段为2.44GHz至2.48GHz，中心频率为2.46GHz；所述声表面波谐振器的工作频段为420MHz至440MHz，中心频率为433MHz；所述读取器具有获取3个不同中心频率器件的相位信息获取方式。所述方法包括：利用组成传感器探头的三个声表面波器件的中心工作频率不重合的特性，综合了三个不同频段的声表面波传感器件的相位信息，采用二次相差法处理相位信息，由此测量读取器和传感器探头的距离。本发明的方法能够实现高精度距离测量。

技术领域

本发明涉及声表面波传感器技术领域，具体涉及基于声表面波(SAW,SurfaceAcoustic Wave)器件多频段相位信息的距离测量装置及方法。

背景技术

无线无源SAW-RFID集标签和传感器于一体，具有如下优点：由于声表面波传感器是由压电材料构成，不含半导体器件，是一种“无芯”器，因此只需要极低的能量即可工作，进而实现无线无源。其内部依靠声波工作，声波在芯片表面传播具有ns级的精确延时，该延时具有可估计、可测量的变化规律，理论上可以与电磁波在空间传播的延时进行区分。在系统发射并接收传感器回波的过程中，通过分离并精确测量出电磁波在空间传播的延时，基于声表面波器件的传感系统可以实现距离测量。

目前基于声表面波器件传感系统的距离估计技术研究刚起步，美国NASA研究基于OFC编码的SAW-RFID系统，其距离测量精度可达到几十cm(参考文献[1]：Gallagher M W,Malocha D C.SAW multi-sensor system with temperature and range[C]//Ultrasonics Symposium.IEEE,2013:2106-2109.)。Arumugam结合天线方向增益特性实现了基于单个SAW-RFID标签系统的2维定位，精度约为3.17cm(参考文献[2]：Arumugam D D1.2D localisation using SAW-based RFID systems:a single antenna approach.[J].International Journal of Radio Frequency Identification TechnologyApplications,2007,1(4):417-438.)。以上相关研究均是通过对SAW标签的回波时域信息进行分析，通过估计返回能量最大点的时间位置进行距离测量的，并没有使用返回射频信号的相位信息。

相位信息由插指换能器(IDT)和反射栅的距离，SAW声速，以及标签距离等决定，其关系式如(1)和(2)：

p＝360*f*2*(L/c+D/v) (1)

Δp＝360*f*2*ΔD/v (2)

其中：D是IDT和反射栅的距离、v是SAW声速、f是频率，L是标签和读写器的距离、c是电磁波波速、p是反射脉冲的相位、ΔD是反射栅之间的距离、Δp是反射栅之间的相位差。

为除去反射脉冲相位中IDT和反射栅的距离、SAW声速的影响，且考虑IDT和反射栅的距离、SAW声速受温度环境量的影响，根据式(2)中反射栅之间的相位差只与温度相关，与距离无关，因而可计算出温度，进而可获得IDT和反射栅的距离和SAW声速，消除此两者的影响，获得反射脉冲相位中只与距离相关的部分pL，如式(3)：

pL＝360*f*2*L/c (3)

由于实测相位只在0～360°范围，与真实相位差360°的整数倍，如式(4)中的pL0是实测相位，pL是真实相位，两者相差360°的N个整数倍。此问题为360°相位模糊问题。

pL＝pL0+360*N (4)