CN102035496A - 一种声表面波无源无线阵列的阵元识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能化和网络化传感监控领域，涉及一种声表面波无源无线阵列的阵元识别方法，包括：根据声表面波传感器阵列的区域大小、读写器天线的区域大小、两个区域的间距、监测点的分布，确定可以被利用的空间集合，在空间集合里的监测点处布放由声表面波传感器和与其相连的天线构成的传感元；根据读写器天线的波束范围分隔传感器阵列，组成阵列的空间分集；根据传感器天线极化隔离度的要求，对每个阵列的空间分集进一步划分，将位于同一个空间分集里的传感元按照可以区分同频的极化角度划分成不同的极化分集，每个极化分集包含的传感元的天线的极化角度相同；为每个空间分集配置一个带有多支天线的读写器，读写器与传感元之间按照时分复用和频分复用的方式进行通信。本发明能够提高系统容纳声表面波传感器终端的能力，使得系统在智能化和网络化传感监控领域支持更多的传感终端。

Description

一种声表面波无源无线阵列的阵元识别方法

技术领域

本发明涉及智能化和网络化传感监控领域，具体而言，涉及一种声表面波无源无线传感器阵列的阵元识别方法。

背景技术

在物联网和智能电网高速发展的今天，为了实时诊断和监测感知对象，传感器被大量应用。声表面波传感器是近十来年发展起来的新型传感器，其可以实现测量机械应变、流量、应力、气体、角速度、加速度、微小位移、以及温度等参数的传感器。其针对小规模和理想场景环境下的应用技术已比较成熟，在大规模场景下，公开的技术主要采用编码型声表面波器件。对于编码延迟型声表面波器件主要是利用激励信号与接收信号在时间上的时延或相位上的变化进行测量的。当外界被检测量发生变化时，将影响时延或相位。检测出该时延，就可感知被测量的大小。编码延迟线利用激励信号到达各个延迟抽头的相位是否同相或反相实现编码；而常用的带反射栅的延迟线则利用反射栅位置的不同，将延时信号构成不同的编码，进行多个传感器识别。但因为经过两次换能器变换后，信号衰减很大，这种传感器传感距离非常短，在某些场景的应用中，它很难满足传感距离要求。对于谐振编码型声表面波器件，名称为“谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统”的发明专利(申请号：02113480.4)，采用谐振结构加上延迟时间不同的编码延迟结构来实现阵列传感系统。这种器件由于谐振的特点，在谐振频率处能量衰减较小。谐振型传感器的品质因素较延迟型器件高许多，因而损耗较小，适应于远距离的声表面波传感，编码的结构能有效识别阵列元。但是针对实际的工程应用，谐振编码型器件结构复杂，工艺难度高，导致声表面波器件价格昂贵，编码解码复杂致使整个传感系统软硬件设计成本偏高，现实条件下推广应用比较困难。

面对市场需求，对于分布式声表面波传感器阵列，现有的解决方案中，单纯的谐振型器件难以解决大规模阵列中区分传感元的问题，谐振编码型器件无法回避技术难度大和成本高的事实；另一方面，声表面波无源无线传感系统中现有技术还没有充分发挥传感天线定向特性和极化特性的潜力。

发明内容

鉴于上述，针对现有技术的不足，本发明提出一种可以组成较大规模的传感器阵列，具有较好的抗干扰性的声表面波传感器阵列元识别方法。发明的主要思想是利用天线良好的定向性和单极化特性，在不耗费更多频率资源，仅采用时分复用和略微增加读写器天线数目的代价下，显著提高无源无线传感系统在大规模传感器阵列中阵元识别的能力。本发明的技术实现方法如下：

一种声表面波无源无线阵列的阵元识别方法，包括下列步骤：

(1)根据声表面波传感器阵列的区域大小、读写器天线的区域大小、两个区域的间距、监测点的分布，确定可以被利用的空间集合，在空间集合里的监测点处布放传感元，所述的传感元由声表面波传感器和与其相连的天线构成；

(2)根据读写器天线的波束范围分隔传感器阵列，组成阵列的空间分集；

(3)根据传感器天线极化隔离度的要求，对每个阵列的空间分集进一步划分，将位于同一个空间分集里的传感元按照可以区分同频的极化角度划分成不同的极化分集，每个极化分集包含的传感元的天线的极化角度相同；

(4)为每个空间分集配置一个读写器，所述读写器带有多支天线，每支天线的极化方向与该空间分集里某个传感元集合的极化方向相同，读写器与传感元之间按照时分复用和频分复用的方式进行通信。

在同一个空间分集里，极化角度水平的极化分集最好位于该空间分集的上部。

与现有技术相比，本发明拥有如下优点：

1.利用读写器天线和传感器天线的定向性，通过空间分集技术实现传感元的复用，可以使传感元的数目达到上千个，实现了传感器的阵列化和网络化。解决了传统声表面波传感系统中谐振型声表面波传感器通过谐振频率区分传感元数目少的问题，节约了有限的频率资源。

2.充分利用天线单极化特性，基于极化分集复用，实现极化分集集合，显著增加了空间复用时单元集合内传感阵列元的数目。

3.基于极化分集复用和空间方位分集技术的组合应用，方法实现简单，且无需改动传感器本身的结构设计，成本低廉，便于推广应用。

4.在同一个空间分集里，极化角度水平的极化分集位于该空间分集的上部，距离地面最远，减少了与地面的耦合损耗。

5.读写器天线和传感器天线都通过匹配网络与端口连接，提高辐射效率，增加了传感距离。

6.本发明采用谐振型声表面波传感器，传感距离远。传感器为声表面波式，在监测点上不需要布线，不必更换电池，组成的传感网络在复杂环境下能长期在线监控，安全性和稳定性好。

7.读写器拥有多路信号通道，可实现多支读写器天线连接。收发一体的读写器天线采用时分复用的方式发射和接收传感信号，减小了读写设备规模，降低了系统成本。

附图说明

附图1为声表面波无源无线传感系统原理示意框图；

附图2为定向天线辐射模式图；

附图3为单极化天线空间分布示意图；

附图4为极化分集集合示意图；

附图5系统空间复用和极化复用示意图；

具体实施方式

本发明的技术方案中涉及到两种天线，他们是声表面波无源无线传感系统中的读写器天线和声表面波传感器天线，它们在工作的频段内具有定向性和单极化特性，如图1所示为读写器天线的方向图。定向性的强弱根据实际应用要求来选择。通过选择合适的发射天线和传感器天线，实现传感器阵列元的复用。在声表面波无源无线传感系统中，读写器天线通过时分复用发射询问信号，声表面波传感器天线接受到信号后回馈应答信号，完成一次测量信号的通信过程，不同的声表面波传感器通过频率来区分。原理示意图见附图1。但是在传感网络中频点、时隙十分有限。针对上述资源的不足，本发明的思想在于利用空间分集复用和极化分集复用的方法，构造传感元空间分集复用和极化复用的集合，共享频点、时隙资源。实现传感器的阵列化和网络化。技术方案如下：

1.1)先获取用户设备监测点的空间信息，根据获得的信息确定可以利用的监测点的空间集合，在空间集合内布放由传感器和天线构成的传感元；

1.2)根据读写器天线的波束范围分隔传感器阵列，组成阵列的空间分集；根据传感器天线极化隔离度的要求，对每个阵列的空间分集进一步划分，将位于同一个空间分集里的传感元按照可以区分同频的极化角度划分成不同的极化分集，每个极化分集里传感元天线的极化角度相同；

1.3)最后选择传感器阵列的集合，为每个空间分集配置专属于该组的读写器。读写器拥有多支天线，每支天线的极化方向与该空间分集里某个传感元集合的极化方向相同，读写器与传感元之间按照时分复用和频分复用的方式进行通信。

对于1.1)中的用户设备监测点的空间信息包括：传感器阵列的区域大小、读写器天线的区域大小、两个区域的间距、监测点分布等。通过这些参数可以划分出布放空间，剔除无用空间，从而形成可以利用的空间集合。

对于1.2)中空间分集的构成是由天线的定向性实现的。对读写器天线而言，其所处区域空间自由，范围大，对天线的集合几何尺寸，大小无严格限制，故可以选择波束范围很小的天线。如附图2所示，定向天线辐射模式图中天线的波束范围由两个主平面内主瓣波束宽度Δθ₁和Δθ₂之积表示，其波束范围的大小根据实际应用需要选择合适天线而定。

对于1.2)中天线的极化隔离度是指在布放定向天线时，把单极化的天线旋转不同的角度形成0°、90°、+45°、-45°四种单极化。参见附图4，由极化方向的不同构成的极化分集集合，某种极化方式天线发射的信号将会被其他3种非匹配极化方式的天线接收，但信号的极化损耗不同，接收到的信号功率也就不同，本发明正是利用极化失配产生的极化损耗实现极化隔离，具体为不同单极化天线的极化角度相差为45°或90°，当为极化角度相差45°时，发送和接收之间产生3dB的极化损失，而本发明中依靠回波信号实现检测，故有2次收发过程，共产生6dB的极化损失，当极化角度相差90°时，极化完全失配，极化损失最大，由此极化分集组成的集合通过合适的信号处理算法可成功区分同频而极化不同的两种信号，从而达到极化隔离的要求。

在1.3)步骤中，在同一个空间分集里，极化角度水平的极化分集位于该空间分集的上部，让其远离地面减少耦合损耗，对于相同极化的天线，要充分利用阵列空间间距实现最大的间距隔离，尽可能降低信号间的相互干扰。

实施例一：

选用声表面波温度传感器，应用于变电站电容器组温度监控。电力系统中绝大多数设备故障、异常，最初都伴随着局部或整体的过热或温度分布相对异常。变电站位于电力系统中的中间环节，电容器又是变电站中数目最多的待监测点，出现问题的可能较大，一旦出现故障，就会影响整个区域的电力供应，造成巨大的经济损失，成为重大的安全事故，所以对电容器处的温度实时在线监控显得十分必要。但是，电容器温度监测点数目众多、分布密集，同时电容器本身处于高电压、强磁场以及极强的电磁干扰环境中。恶劣的现场环境为温度监测带来极大困难，故实施例选择声表面波温度传感器实现无源无线传感系统具有示例代表性。结合图3，本实施实例中，考虑一支读写器天线，和其对应的6支传感器天线。传感器天线位于监测点处的传感器上，读写器天线位于远离监测点的自由区间里。读写器天线与后端的射频系统相连，通过总线与计算机系统连接共同组成声表面波测温系统。两类天线安装于无线通信距离L≥3米的位置上。空间位置尽可能位于同一空间轴线。两类天线的极化方向相同，通过频分复用实现1对6的关系。在本发明中一种单极化读写器天线所对应的传感器天线不限制在为6支，其数目由实际应用而定。

实施例二：

结合图4，本实例利用图3中1对6的基本复用结构，通过极化分集方式实现了4对24的多路复用。A区为读写器天线区，由4支读写器天线组成，并通过极化分集方式在该区形成阵列。B区为传感器天线阵列区，由24支天线组成，每6支为一个小分集，4个分集极化方向以45°为间隔。4个小分集组成极化分集集合。每个分集的极化方向与其所对的读写器天线极化方向相同。

实施例三：

结合图5，本实例与图3的区别在于在利用极化分集的基础上在通过空间复用实现更大规模的传感器天线阵列。实际应用中图5所示A区自由空间的范围较大，可实现的读写器天线集合的空间隔离度大。图4中B区传感器天线阵列规模较大，充分利用天线的定向性和传感器阵列之间的间距，在方向性隔离的基础上加入空间间距隔离，防止信号间的干扰。

上述的具体实施给出了示例型方案，其为本发明的具体应用实例，但不在任何方面限制本发明的范围和应用性。

Claims (2)

1.一种声表面波无源无线阵列的阵元识别方法，包括下列步骤：

(1)根据声表面波传感器阵列的区域大小、读写器天线的区域大小、两个区域的间距、监测点的分布，确定可以被利用的空间集合，在空间集合里的监测点处布放传感元，所述的传感元由声表面波传感器和与其相连的天线构成；

(2)根据读写器天线的波束范围分隔传感器阵列，组成阵列的空间分集；

(3)根据传感器天线极化隔离度的要求，对每个阵列的空间分集进一步划分，将位于同一个空间分集里的传感元按照可以区分同频的极化角度划分成不同的极化分集，每个极化分集包含的传感元的天线的极化角度相同；

(4)为每个空间分集配置一个读写器，所述读写器带有多支天线，每支天线的极化方向与该空间分集里某个传感元集合的极化方向相同，读写器与传感元之间按照时分复用和频分复用的方式进行通信。

2.根据权利要求1所述的声表面波无源无线阵列的阵元识别方法，其特征在于，在同一个空间分集里，极化角度水平的极化分集位于该空间分集的上部。

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