一種無源無線筒彈環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉宇鵬 宋 宇 趙一宇 張志彥 彭雪明

(1.北京機(jī)械設(shè)備研究所，北京 100039；2.中國人民解放軍駐航天科工集團(tuán)第二研究院206所軍事代表室，北京100039)

1 引 言

在導(dǎo)彈的儲(chǔ)存，運(yùn)輸和作戰(zhàn)過程中，維持筒內(nèi)環(huán)境，以及對筒彈環(huán)境進(jìn)行定期檢測是極其必要的。現(xiàn)有的溫濕壓集成傳感器采用有源有線測量方案［1］。它需要單獨(dú)為傳感器模塊加電，并在發(fā)射裝置上預(yù)留環(huán)境監(jiān)測模塊電氣接口，其現(xiàn)場電路布線繁雜，特別是在艦艇上使用時(shí)，易造成儲(chǔ)彈艙內(nèi)雜亂無序，存在安全隱患；手持儀器在采集數(shù)據(jù)時(shí)，由于倉儲(chǔ)彈筒數(shù)目多，采集工作量很大，有時(shí)甚至需要工作人員爬高爬低，導(dǎo)致采集效率低下，且漏采的情況也時(shí)有發(fā)生，易造成監(jiān)測信息的不完整。

聲表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）傳感器是一種新型的無源無線傳感器［2］。它利用壓電基片表面激發(fā)的SAW傳播速度變化來敏感環(huán)境參量變化，其工作所需的能量可以完全由天線輸入的電磁波提供，具有低成本、高靈敏度、體積小、穩(wěn)定性高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。在筒彈監(jiān)測模塊中應(yīng)用無源無線傳感器可以從根本上解決現(xiàn)有方案布線復(fù)雜、維護(hù)工作量大的缺點(diǎn)。從上世紀(jì)末到現(xiàn)在，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)先后發(fā)展出了測量溫度、濕度、壓力、應(yīng)變等環(huán)境參量的SAW傳感器，但是還不存在一種能夠同時(shí)提取多個(gè)傳感參量的、適合筒彈環(huán)境監(jiān)測特點(diǎn)的無源無線傳感測量系統(tǒng)［3-5］。本文介紹了一種基于諧振器型SAW傳感器的筒彈環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)封閉筒彈空間內(nèi)溫濕壓信息的同時(shí)讀取，旨在克服傳統(tǒng)測量方法的固有缺陷，提高武器系統(tǒng)維護(hù)效率。

2 聲表面波傳感器工作原理

SAW傳感器主要分為諧振器型和延遲線型。兩種類型的SAW傳感器都是利用叉指換能器（IDT）在壓電基片表面激發(fā)SAW，利用環(huán)境參量對SAW傳播特性的影響實(shí)現(xiàn)傳感功能。

SAW在壓電基片表面?zhèn)鞑サ乃俣葧?huì)受到環(huán)境參量影響。其關(guān)系可用式（1）描述［6］：

式中：VR——SAW傳播速度；σ——應(yīng)力；S——?jiǎng)偠?；m——壓電基片的質(zhì)量密度；T——環(huán)境溫度；γ——表面張力；Kσ,KS,Km,KT,Kγ——各參量對應(yīng)的敏感系數(shù)。

式（1）說明，壓電基材溫度、應(yīng)力、剛度等參量的變化都會(huì)影響SAW傳播的速度。如果使用可吸收環(huán)境氣體中的水分子的濕敏材料作為壓電基底，那么吸濕后材料質(zhì)量的變化，也將體現(xiàn)在SAW的傳播速度變化上。

諧振器型SAW傳感器上通常包括一個(gè)IDT和多組反射柵，如圖1所示?；醒氲腎DT兩側(cè)布置了對稱的反射柵陣，通過設(shè)計(jì)反射柵結(jié)構(gòu)和IDT形狀，可以使IDT激發(fā)滿足布拉格反射條件的SAW，在壓電基片兩端同時(shí)產(chǎn)生相干反射波，并產(chǎn)生諧振，使能量駐留在壓電基片上；此時(shí)壓電基片就形成了一個(gè)Q值很高的諧振器。當(dāng)不再輸入能量后，諧振器仍然能夠諧振一段時(shí)間，發(fā)射出較強(qiáng)的輸出信號(hào)，信號(hào)的時(shí)域波形如圖2所示。如前文所述，環(huán)境參量的變化影響了SAW的波速，而IDT確定了SAW的波長；諧振頻率與SAW的波速有如下關(guān)系：

那么dλ為零，波速就確定了諧振器的諧振頻率，諧振頻率在頻域上的偏移也就直接反映了環(huán)境參量的變化。

圖1 諧振型SAW傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of resonant SAW sensor

圖2 諧振型SAW傳感器反射信號(hào)Fig.2 The reflected signal of resonant SAW sensor

延遲線型SAW傳感器也存在多條反射柵，它的反射柵之間距離更大。SAW在每一條反射柵上都發(fā)生反射，其結(jié)構(gòu)和反射回波信號(hào)如圖3所示。SAW波長由IDT決定，波速則受環(huán)境變量影響，那么環(huán)境變量變化時(shí)，時(shí)域上各反射峰的間隔時(shí)間和相位就會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。通常是以第一個(gè)反射柵產(chǎn)生的回波作為起始標(biāo)志位，那么后面幾個(gè)反射柵產(chǎn)生的回波相對起始標(biāo)志位的時(shí)間延遲或相位延遲就體現(xiàn)了環(huán)境變量的變化量。

圖3 延遲線型SAW傳感器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of delay line SAW sensor

3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

筒彈環(huán)境監(jiān)測的特點(diǎn)決定了系統(tǒng)需要同時(shí)讀取一個(gè)封閉空間中溫度、濕度、壓力三種傳感參量，并且盡量縮小傳感單元的體積。SAW傳感器件的體積相對傳統(tǒng)傳感器具有很大優(yōu)勢，而且不需要電源等周圍電路支持。但要實(shí)現(xiàn)1m～2m的無線工作距離，必須為傳感器匹配接收天線，而且天線的尺寸形狀受到一定的限制，不可能做得很小。如果將三個(gè)傳感器集成安裝，共用接收天線，可以極大的縮小傳感器端器件尺寸。

另外，SAW傳感器是完全被動(dòng)工作的。如果使用多個(gè)延遲線型傳感器，傳感器的反射回波信號(hào)會(huì)相互疊加和干擾。而敏感多種參量的延遲線型傳感器又不適合加工在同一個(gè)基片上。因此本系統(tǒng)使用三個(gè)獨(dú)立的諧振器型傳感器，它們的諧振頻率設(shè)計(jì)在同一頻段上，具有不同的諧振頻率，利用頻分多址的方式進(jìn)行區(qū)分。

為傳感器的通用性和易用性考慮，本文將傳感器諧振頻率設(shè)計(jì)在433.92MHz附近。該頻段為ISM（工業(yè)/科研/醫(yī)療）頻段，無需申請可直接使用。相對于較高的ISM頻段（如2.4GHz），該頻段的發(fā)射功率更小，通信距離更長，而相對于較低的公用頻段（如315MHz），它的配套通信模塊更齊全，便于進(jìn)行靈活的射頻前端設(shè)計(jì)。本文使用的壓力傳感器靈敏度為 50kHz/bar，量程為 1bar～2bar，溫度傳感器靈敏度為-1.9kHz/℃，量程為-40℃～+120℃。在量程內(nèi)占用頻帶寬度均不超過300kHz，在設(shè)計(jì)中只需為每個(gè)傳感器預(yù)留600kHz的頻帶寬度，就不會(huì)發(fā)生信號(hào)碰撞干擾問題。傳感器的S11網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如圖4所示。

圖4 溫濕壓集成傳感器S11網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Fig.4 S11 parameter of temperature-humidity-pressure integrated sensor

當(dāng)閱讀器在某一個(gè)頻率點(diǎn)發(fā)射激勵(lì)信號(hào)時(shí)，只有這個(gè)諧振頻率在頻率點(diǎn)的傳感器會(huì)諧振并輸出信號(hào)，而其他的諧振器不會(huì)諧振。閱讀器只需要依次在三個(gè)諧振器的工作頻段掃頻，就可以分別提取三個(gè)傳感參量。系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 筒彈環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Structure of canister-missile environment monitoring system

需要注意的是，同傳統(tǒng)有源傳感器一樣，SAW傳感器也需要定期校準(zhǔn)。尤其是濕度傳感器，因其本體上的濕敏材料必須接觸筒內(nèi)環(huán)境才能監(jiān)測濕度信息，不能密封封裝，所以零漂會(huì)比較明顯。通常每三年需要取出傳感器，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)中可將傳感器封裝在穿壁安裝的整體結(jié)構(gòu)內(nèi)，易于拆出校準(zhǔn)。

4 閱讀器硬件設(shè)計(jì)

4.1 閱讀器總體設(shè)計(jì)

在整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)工作過程中，閱讀器需要依據(jù)時(shí)序向各個(gè)傳感器發(fā)送質(zhì)詢信號(hào)，并依次接收各個(gè)傳感器的回波信號(hào)并解調(diào)。因此閱讀器需要具備在諧振頻率附近進(jìn)行頻率掃描的能力，同時(shí)具備接收和解調(diào)傳感器回波頻率信息的能力。如圖6所示，閱讀器分為發(fā)射鏈路、接收鏈路、高速開關(guān)和控制器模塊?？刂破骺刂聘咚匍_關(guān)在發(fā)射鏈路和接收鏈路按照指定時(shí)序依次循環(huán)工作，在每個(gè)發(fā)射周期，發(fā)射鏈路中的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器首先合成中頻信號(hào)，再由鎖相環(huán)倍頻到射頻頻段，然后通過功率放大器，放大到需用的功率強(qiáng)度，最后經(jīng)過高速開關(guān)和天線發(fā)射出去。之后高速開關(guān)切換到接收鏈路，并關(guān)斷鎖相環(huán)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射與接收信號(hào)的隔離。在接收周期，傳感器的回波信號(hào)經(jīng)接收天線和高速開關(guān)進(jìn)入接收鏈路，經(jīng)低噪聲放大器放大后，與數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的參考頻率進(jìn)行下混頻，下混頻到近零中頻后通過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入控制器進(jìn)行處理和輸出。

圖6 閱讀器功能結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of the reader functions

4.2 發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)

閱讀器需要產(chǎn)生步進(jìn)幅度不大于1kHz的掃頻信號(hào)。通常使用直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）作為RF信號(hào)發(fā)生器方案，可以實(shí)現(xiàn)很高的步進(jìn)精度［7］。用DDS直接產(chǎn)生433MHz頻段的信號(hào)有一定困難，而且諧波分量比較大，也不利于進(jìn)行近零中頻解調(diào)。閱讀器使用一片鎖相環(huán)（PLL）將DDS產(chǎn)生的中頻信號(hào)進(jìn)行64倍頻，然后進(jìn)行帶通放大，最后通過高速開關(guān)發(fā)射出去。發(fā)射信號(hào)的增益放在了射頻頻段，也是基于減少本振諧波干擾的影響。

本文使用一片AD9851芯片產(chǎn)生中頻本振信號(hào)，并對其輸出端匹配低通濾波電路，濾除高次諧波。使用ADF4351芯片作為鎖相環(huán)，鎖相環(huán)可通過保持輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位差的恒定（鎖相）來實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)對輸入信號(hào)的跟蹤，通過寫入分頻控制字可以精確的確定輸出頻率與輸入頻率的倍率。將DDS輸入信號(hào)作64倍頻后到射頻頻段，輸出信號(hào)頻譜如圖7所示。發(fā)射信號(hào)Q值不小于30000，符合使用要求。

圖7 鎖相環(huán)倍頻輸出信號(hào)頻譜Fig.7 Spectrum of the PLL multiplication frequency output signals

PLL輸出信號(hào)功率在0dBm附近，約為1mW，不滿足輸出信號(hào)強(qiáng)度要求，需要使用功率放大器件進(jìn)行放大后再通過天線發(fā)射。本文使用TSH690芯片作為帶通放大芯片，它在射頻頻段的理論增益可以達(dá)到28dB，經(jīng)實(shí)物測試功放芯片將在433.70MHz頻率輸入信號(hào)功率放大了17dB，將發(fā)射功率提高到了50mW，如圖8所示。

閱讀器與傳感器的通信方式實(shí)質(zhì)是半雙工通信。這是由傳感器完全被動(dòng)的工作性質(zhì)所決定的。在接收鏈路工作時(shí)發(fā)射鏈路必須關(guān)斷，否則回波信號(hào)將不能解調(diào)出來［8］。盡管半雙工的工作模式導(dǎo)致了質(zhì)詢效率的降低，但可以通過發(fā)射接收方向的高速轉(zhuǎn)換來彌補(bǔ)。高速開關(guān)的作用就是在發(fā)射和接收鏈路之間快速切換，使其輪流工作，并且互不干擾。本文使用的AS179芯片是一種高隔離度、低插入損耗的中等功率射頻開關(guān)，非常適合在通信系統(tǒng)中使用。在300kHz到1GHz的頻帶內(nèi)，其插入損耗典型值為0.3dB，而隔離度典型值為25dB，開關(guān)響應(yīng)時(shí)間典型值為20ns，遠(yuǎn)小于采樣時(shí)間，滿足使用要求。

圖8 功率放大模塊輸出信號(hào)頻譜Fig.8 Spectrum of PA output signals

將PLL輸出信號(hào)作為射頻開關(guān)輸入信號(hào)，當(dāng)輸出信號(hào)頻率為433.70MHz時(shí)，輸出信號(hào)頻譜如圖9所示。

當(dāng)射頻開關(guān)插入損耗時(shí)，輸出信號(hào)功率為15.51dBm，當(dāng)射頻開關(guān)隔離時(shí)，輸出信號(hào)功率降低到-14.50dBm，實(shí)現(xiàn)了30dB的信號(hào)衰減，實(shí)現(xiàn)了較為理想的隔離效果。諧振器諧振時(shí)輸出信號(hào)通常持續(xù)時(shí)間不超過25ms，設(shè)置發(fā)射/接收切換周期為50ms，也即射頻開關(guān)每50ms切換一次，則在時(shí)域上發(fā)射信號(hào)輸出測試結(jié)果如圖10所示。

4.3 接收鏈路設(shè)計(jì)

接收鏈路采取超外差結(jié)構(gòu)，這也是通信收發(fā)機(jī)中使用最廣泛的結(jié)構(gòu)。在超外差接收機(jī)中，從天線接收的信號(hào)與DDS產(chǎn)生的本振信號(hào)一起進(jìn)入混頻器，得到一個(gè)較低的中頻信號(hào)，這個(gè)信號(hào)的頻率包含了傳感信息。頻率較低的中頻信號(hào)可以通過傅里葉變換來采集其頻域信息。

圖9 射頻開關(guān)輸出信號(hào)頻譜Fig.9 Spectrum of RF switcher output signals

圖10 發(fā)射鏈路輸出信號(hào)波形Fig.10 Output signal of emission chain

本文使用超外差接收機(jī)MAX7033作為接收芯片，它將低噪放大器，濾波器，自動(dòng)增益控制，混頻器等模塊集成在一個(gè)芯片內(nèi)部，具有優(yōu)良的抗干擾功能。從天線接收的信號(hào)經(jīng)過高速開關(guān)，先進(jìn)入片內(nèi)的LNA進(jìn)行放大，然后在片外配置的濾波電路中進(jìn)行帶通濾波，再利用片內(nèi)的自動(dòng)增益控制模塊調(diào)整信號(hào)功率，最后與倍頻后的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，輸出較低的中頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。在每個(gè)接收周期，接收鏈路都會(huì)收到傳感器發(fā)射的持續(xù)衰減的諧振信號(hào)，如圖11所示。

圖11 接收鏈路輸出信號(hào)波形Fig.11 Output signal of receiving chain

在接收周期，進(jìn)入接收鏈路的不只有傳感器發(fā)射的諧振信號(hào)。由于射頻開關(guān)隔離度有限，在發(fā)射周期仍然會(huì)有一部分發(fā)射信號(hào)進(jìn)入接收鏈路，在接收鏈路中混頻后，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的低頻信號(hào)，稱為直流偏移，如圖11(a)所示。因此在接收周期應(yīng)將發(fā)射鏈路關(guān)斷，使其不干擾接收解調(diào)。利用鎖相環(huán)芯片的靜音功能，可以快速的開啟/關(guān)斷發(fā)射鏈路。在接收周期將發(fā)射鏈路靜音后獲得的混頻輸出如圖11(b)所示，接收鏈路提取了下混頻后的低中頻信號(hào)，其頻率是當(dāng)前頻率與本振的差值，其包絡(luò)與理論輸出波形相符。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于SAW傳感器的筒彈環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用集成在一起的三個(gè)不同諧振頻率的諧振器型SAW傳感器獲取同一測點(diǎn)的溫度、濕度、壓力傳感信息，根據(jù)諧振器型SAW傳感器的反射信號(hào)特性，設(shè)計(jì)了基于超外差結(jié)構(gòu)的的閱讀器電路，并針對直流偏移對接收信號(hào)的干擾進(jìn)行了優(yōu)化。測試表明閱讀器具備了激勵(lì)和解調(diào)傳感器信號(hào)的功能。