CN109921821B

CN109921821B - 基于微波或射频无电源宽带载波对消信号检测方法

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Publication number: CN109921821B
Application number: CN201910085597.7A
Authority: CN
Inventors: 钱鉴; 府锡东
Original assignee: Changzhou High-Tech Research Institute Of Nanjing University
Current assignee: Changzhou High-Tech Research Institute Of Nanjing University
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2039-01-29
Also published as: CN109921821A

Abstract

基于微波或射频无电源宽带载波对消信号检测方法，用微波或射频为载波的微弱振动传感器技术结合干涉仪技术，以载波对消技术为基础的解调技术来实现高灵敏度的微弱振动的探测；微波或射频信号经功分器得到两路输出，两输出端分别连接干涉仪的两臂，干涉仪的两臂即传感器臂和幅相调节臂各自通过环行器分别连接到振动传感器和幅相调节器；传感器臂的振动传感元件由微波或射频偏置，振动传感元件受到相位调制；幅相调节臂则保证载波对消的实现；经环行器送往接收端；再应用解调技术，解调后还原为微振动信息；所述解调技术采用零差混频及正交解调技术，消除哑点，降低噪声。

Description

基于微波或射频无电源宽带载波对消信号检测方法

技术领域

本发明涉及以简明结构提高无源调制器相位调制度的技术与方法，并有效抑制相位噪声。在雷达技术，微波或射频遥测遥感技术，高灵敏度和高精度测振技术等领域均有重要意义。

背景技术

与本发明相关的微波/射频振动传感与信号检测和相位调制技术，干涉仪技术是发明人已经提出和得到授权的微波感知声音信号的方法与装置，中国专利号为ZL201410618051.0。但现有技术信号处理的精度和灵敏度仍有待于提高，为提高连续波微波或射频的探测性能，甚至包括雷达的性能，采用高频载波对消和中频载波对消是常用手段，载波对消不仅可以防止载波泄漏对接收系统造成不良影响，而且可以改善低相位调制度调相波的相位调制度。对消的本质是Maxwell 方程组的线性决定的叠加原理，亦即波的干涉，矢量合成。包括一路传感信号，一路参考信号。这两路信号中的载波成分幅度相同而相位相反，则形成相消干涉。由于电磁波来波信号瞬息万变，为了稳定地工作，必须对任何来波具有自适应能力，即不管来波幅度和相位如何变化，时时刻刻都能自动对消载波信号。这通常需要正交有源环路来实现。

发明内容

本发明的目的是，提出一种用微波/射频干涉仪和微弱振动传感器技术为基础的低相噪灵敏传感器，实现对微弱振动的高效测量；尤其是一咱微波或射频无电源宽带载波对消信号检测方法即微弱调相波相位调制度的无电源放大的信号检测方法。

本发明的技术方案是：微波或射频无电源宽带载波对消信号检测方法即微弱调相波相位调制度的无电源放大的信号检测方法，用微波或射频为载波的微弱振动传感器技术结合干涉仪技术，以载波对消技术为基础的解调技术来实现高灵敏度的微弱振动的探测(包括但不限于声振动)；微波或射频连续波信号经隔离器注入到功分器上，功分器两输出端分别连接干涉仪的两臂，干涉仪的两臂即传感器臂和幅相调节臂各自通过环行器分别连接到振动传感器和幅相调节器；传感器臂的振动传感元件由微波或射频偏置，振动传感元件受到相位调制；幅相调节臂则保证了载波对消的实现；经环行器送往接收端；再应用解调技术，解调后还原为微振动信息；所述解调技术采用零差混频及正交解调技术。

干涉仪的两臂即传感器臂和幅相调节臂各自通过环行器连接到振动传感器和幅相调节器。如图2所示。传感器臂的传感元件类似于电容话筒，由微波/射频偏置，微弱振动改变电容容量使反射的微波或射频信号受到相位调制。幅相调节臂则保证了载波对消的实现。消除哑点，降低噪声。

将本振或信号都分为两路，两路本振信号相差90度，混频后的两路正交音

频信号再行合成。

其基本原理如图1所示。本发明的总体架构适用于同轴电路结构，微带电路结构，乃至集成化的电路结构。解调时从反射系数的微弱变化中高保真地解调出振动信号或声音，即用微波/射频来感知微弱振动。

传输线上传输终端接负载即电容(典型的是变容式振动传感器)，当声波(或其它机械振动)将振动电极推动，使传输线终端电容发生变化，继而使微波反射系数的相位产生相应变化，等幅的载波被振动膜的振动调制，产生低调制度的调相波。反射波经过有线方式被送回，经环行器送往接收端。再应用解调技术，解调后还原为声音或振动信息。传输线为微波或射频传输线。

所述解调技术采用载波对消技术，使鉴相器灵敏度最大化：送往接收机的信号包括了大的载波和小的边带，有用信号藏于边带内；为加大边带贡献，必须减小载波分量；压缩载波信号的方法是抽取约一半纯净载波信号，经幅度、相位精细调整与进入接收机的混合信号相减；载波压缩比可达50dB。

反射波幅度基本保持恒定,而相位会发生变化,成为等幅调相波；反射波辐角(相位)φ随电极间距t的变化率近似为：

调相波的相位调制度最大化，最高调相灵敏度，t应尽量小，而ωCZ₀＝1。

当频率降低到可以用集中参数处理的情形，波动问题转化为电路问题。其时，优化条件中的特性阻抗Z.₀改为源阻抗。其余不变。

微波/射频连续波信号(1)入射到定向耦合器器(2)上，经定向耦合器耦合出适当强度的本振信号进入镜像抑制混频器(9)本振口。主信号入射到功分器(3)，分别进入March-Zender干涉仪的两臂。一臂通过环行器(4)进入幅相调节器。进入功率合成器(7)，另一臂通过环行器(4’)进入振动传感器被相位调制后进入功率合成器(7)，它包含载波信号及蕴含振动信息的边带信号。其中，设调制度为c，则载波信号正比于零阶Bessel函数J₀(c)，边带信号正比于J₁(c)。可使载波在功率合成器(7)内相减(精确调节下可降低50dB)。边带保留，幅度为2J₁(c)，边带和载波在时间上正交。本发明方法应用的解调技术：采用载波对消技术、零差混频(Homodyne)及正交解调技术。两路正交信号各自通过低通滤波器(10)经过低频处理单元(11)输出。具体而言，两个双平衡混频器的本振信号相差90度，鉴相输出为I/Q正交信号，然后处理，得出与本振相位无关的输出

微波麦克风:借此说明微弱振动传感器的原理。特性阻抗为Z₀的微波传输线以电容C为负载，微波连续波经过有线方式入射到传输线上。当满足优化条件ωCZ₀＝1，便使反射波的相位调制度达到最大值。灵敏度反比于电容间隙。

反射波幅度基本保持恒定,而相位会发生变化,成为等幅调相波；反射波辐角φ随电极间距(探头部分的电容为等效电容，因为不是均匀传输线了)t的变化率近似为：

射频麦克风:降低源频率到射频段，系统可作集中参数处理，优化条件雷同，而成本降低，可靠性增加，调试简化，又便于集成化。

后续的解调技术采用零差混频(Homodyne,射频载波频率与本振频率相同) 及正交解调技术；零差混频会产生空间哑点，消除哑点最普适的方法是应用正交解调技术，将信号和本振都分为两路，两路本振信号相差90度，混频后的音频信号再行合成。(适用于输入信号相位不断变化的情形)。替代的简单方法是采用镜像抑制混频器，产生正交的基带信号，通过模拟或数字方法消除空间哑点，降低噪声。

无电源载波对消，可使鉴相器灵敏度最大化：送往接收机的信号包括了大的载波和小的边带，有用信号藏于边带内，相位调制和鉴相都是非线性过程，由于 f(aα+bβ)≠af(α)+bf(β)，载波与边带信号必须整体考虑。为加大实际调相度，必须减小载波分量；相比有源载波对消，无源载波对消简化了电路结构，而且对微波/射频源自身的相位噪声有极大抑制，在精确调整下，载波能压缩50dB。如图3所示。

采用载波对消技术在输入信号中压缩载波，增强边带，提高相位调制度。就是载波压缩技术的精髓所在。

有源载波对消的方法是抽取一部分纯净载波信号，经幅度、相位调整与进入接收机的混合信号相减，压缩载波分量。载波压缩比受限于调制器的动态范围，最高只能达到35dB左右。

有益效果：本发明基于传感器(微弱振动传感器甚至包括光纤传感器)与微波或射频源组成的无空间辐射的闭合系统，应用微波或射频无电源宽带载波对消具有很大优势。它可以使含有有用信息的一阶边带保留，加大调制度的同时，使载波形成相消干涉。还能抑制微波/射频源本身的相位噪声，包括难以处理的1/f 噪声。本发明无需使用电源，结构简明，载波压缩比大，能达到50dB。亦使本发明的应用具有很大的灵活性。

附图说明

图1本发明的基本原理图。

图2本发明振动产生的相位变化幅值矢量图。

图3本发明达到的载波压缩效果。

图4为本发明传感器臂改用可调短路线，便消除背了景声噪声的比较图。载波压缩可达50dB,而且1/f源噪声也受到压制。当传感器为微波麦克风，微弱背景噪声明显显示如图4(a)。如果采用本发明(可以采用微带结构)以后，显示如图4(b),将使稳定性，可靠性，大幅度提高。示范的10GHz下微波March-Zender干涉仪，以同轴型为主体结构。不含传感器和幅相调节器。

图5本发明的系统验证框图。

具体实施方式

如图所示，可采用有线连接方式。微波/射频尤其是以连续波信号(1)入射到定向耦合器(2)上，经10dB定向耦合器耦合出本振信号进入镜像抑制混频器 (9)本振口。主信号入射到功分器(3)，分别近入March-Zender干涉仪的两臂。一臂通过环行器(4)进入幅相调节器。进入功率合成器(7)，另一臂通过环行器 (4’)进入振动传感器被相位调制后进入功率合成器(7)，它包含载波信号及蕴含振动信息的边带信号。其中，设调制度为c，则传感器臂内的载波信号正比于零阶Bessel函数J₀(c)，边带信号正比于J₁(c)。调相波属于角度调制，按照调相波的频谱分析，忽略高次边带，调相波的表达式为：

J₀(c)cos(ωt-θ₀)+2J₁(c)sin(Ωt+θ)sin(ωt-θ₀)

Ω为调制频率，振幅2J₁(c)是上下边带的合成，忽略高阶分量，用矢量图，图2表示，振动产生的相位变化∠COO'幅值不仅决定于J₁(c)(即决定于调制度的大小，)，还与载波的大小紧密相关：∠COB，载波未对消时，振动产生的相位变化幅值

图2中可见，振动产生的相位变化幅值除了与AB的长度密切相关(即决定于调制度的大小，AB＝4J₁(C))还与载波的大小(OC即调相过程的固有载波)紧密相关。载波对消能提高解调灵敏度的关键是，如果能把矢载波矢量OC减小，即可显著提高φ_m.它与载波抑制的关系如下表所示(以上述10GHz传感器为例)。

载波抑制	φm(弧度)	Φm(度)
			0dB	4.19*10<sup>-4</sup>	0.024
-10dB	1.32*10<sup>-3</sup>	0.075
			-20dB	4.19*10<sup>-3</sup>	0.24
-30dB	1.32*10<sup>-2</sup>	0.75
			-40dB	4.18*10<sup>-2</sup>	2.40
-50dB	0.132	7.56
			-60dB	0.397	22.7
-70dB	0.924	52.9

随着载波抑制的加深(精确调节下可降低50dB)，从同样的调制场能得到较大的相位变化，从而得到较大的鉴相输出。可见，良好的载波对消是提高灵敏度的核心之一。更高的载波抑制意义不大，因为反正切函数的最大值为π/2。

本发明方法应用的解调技术：载波对消以后，采用零差混频(Homodyne)及正交解调技术。两路正交信号各自通过低通滤波器(10)经过低频处理单元(11) 倾向于经数字信号处理输出。

采用微波麦克风技术以后，相位调制度得到提升，继而采用干涉仪技术以后，相位调制得到更大提高，此外，零差混频会产生空间哑点，应用正交解调技术，得到妥善解决。

本发明采用电容微振动传感器实施例的基本原理：特性阻抗为Z₀的微波传输线以电容为负载，只要电容的纵向电尺寸远小于波长,就可以把它看成集中参数。忽略其损耗，终端阻抗为Z_L＝1/jωc。ω为圆频率，C为电容量；电磁波入射到此电容上，其反射系数为：

显然，反射系数Γ的幅值为

辐角为：φ＝-2tan^-1(ωCZ₀)，当电容变化时,反射波幅度保持恒定,而相位会发生变化,成为等幅调相波。辐角随电容C的变化率为：

经简化处理，视电容为平板电容，电极之一为金属薄膜，可以被声波推动，另一电极固定。忽略边缘效应，则电容

ε₀空气的介电常数，8.854×10^-12F/m。S为电极面积，t为电极间距离。电容随间距的变化率为

从而反射波辐角φ随电极间距t的变化率为：

参数优化：调相波的相位调制度最大化，最高调相灵敏度时，t应尽量小。对

求极值，当ωCZ₀＝1，

取极值1。

由此得出结论：为得到最高调相灵敏度，t应尽量小，而ωCZ₀＝1。

注意到

是电容归一化电抗的负倒数，即归一化电纳。最高灵敏度条件成为

从数学上观察，表明：如果C过大，

(相位随电容的变化率)过小；如果C过小，

(电容随间隙的变化率)过小；取最佳值

则

与常规微波遥测振动的调相灵敏度

相比，要高出很多。比如，在10GHz下，

弧度/mm＝0.024度/μm。如果用电容负载，只要控制电极间距为0.01mm,

弧度/mm＝5.73度/μm。这种调相灵敏度的超越得益于电抗对电容的强烈非线性,以及电容对间隙的强烈非线性(极高的斜率)，使得小量的间隙变化能产生较大的相位变化。从物理上审视，振膜推动的区域是电场最集中处(电力线密集)。形成了高的相位调制度。

零差混频会产生空间哑点是其必然属性。决定于本振信号和射频信号的相位差。

消除哑点最普适的方法是应用正交解调技术，将本振信号分为两路，相位相差90度，混频后的音频(低频)信号再行滤波合成。

本发明微波无电源宽带载波对消(微弱调相波相位调制度的无电源放大)的步骤包括：

1)调相波的产生，

声波或其它微弱振动(比如地震波，瞬态脉冲波)引起电容的变化；

通过有线方式入射的微波在电容处被反射,由于振动膜随声波(或其它机械振动),等幅的载波被振动膜的振动调制，产生低调制度的调相波。

反射波经过有线方式被送回，经环行器送往接收端。解调后还原为原始振动特性。

2)优化传感器参数，使调相波的相位调制度最大化；

辐角φ随电极间距t的变化率为：

对

求极值，当ωCZ₀＝1，

取极值1；

3)采用采用干涉仪技术实现无电源载波对消，使鉴相器灵敏度最大化；

送往接收机的信号包括了大的载波和小的边带，由于调相和零差混频都是非线性过程，所以不能用叠加原理分别处理，而必须整体考虑。

有用信号藏于边带内。为加大边带贡献，必须减小载波分量。

4)采用正交接收机避开零差混频的空间哑点。

图3为本发明达到的载波压缩效果。频谱仪中频带宽50Hz下，噪声降低到了-130dBm。载波频率附近的高出部分来自频谱仪和信号源的声音信号。调相灵敏度达到3.9×10^-6弧度/微帕。微波频率10GHz,20dBm,声波频率1kHz,声压级 82dB,测试电缆插损5.5dB。中央部分的凸起来自测试时的背景噪声，来自测试仪表的风机声和环境噪声。为验证背景噪声的来源，将传感器臂的声传感器以可调短路线(电抗元件)取代，可测出干涉仪单臂工作和对消两状态下噪声抑制的对比情况。特别是在1/f转折频率以下有显著压缩。

图4本发明传感器臂改用可调短路线，便消除背了景声噪声。载波压缩可达50dB,而且1/f源噪声也受到压制。

微波无电源宽带载波对消(微弱调相波相位调制度的无电源放大)结合了微波/射频干涉仪技术，微弱振动传感器技术，正交解调技术，实现了对微弱振动的高灵敏度测量。特别重要的是，干涉仪技术的使用，使微波/射频源的相噪得到了大幅度压缩，提高了信噪比，更重要的是以简洁结构，成功压制了微波/射频源的1/f噪声。有广泛应用前景。

本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施实例相同或近似的结构，而得到的其它结构设计，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.基于微波或射频无电源宽带载波对消信号检测方法，其特征是，用微波或射频为载波的微弱振动传感器技术结合干涉仪技术，以载波对消技术为基础的解调技术来实现高灵敏度的微弱振动的探测；微波或射频信号经功分器得到两路输出，两输出端分别连接干涉仪的两臂，干涉仪的两臂即传感器臂和幅相调节臂各自通过环行器分别连接到振动传感器和幅相调节器；传感器臂的振动传感元件由微波或射频偏置，振动传感元件受到相位调制；幅相调节臂则保证载波对消的实现；经环行器送往接收端；再应用解调技术，解调后还原为微振动信息；所述解调技术采用零差混频及正交解调技术，消除哑点，降低噪声；将本振信号分为两路，两路本振信号相差90度，混频后的两路正交音频信号再行合成；微波或射频传输线上传输终端连接负载，负载即电容，当声波将电容的电极振动，使传输线终端的电容发生变化，继而使微波或射频反射的相位产生相应变化，等幅的微波或射频载波被振动膜的振动调制，产生低调制度的调相波；反射波经过有线方式被送回，经环行器送往接收端；再应用解调技术，解调后还原为声音或振动信息；传输线为微波或射频传输线；

所述解调技术采用载波对消技术，使鉴相器灵敏度最大化：送往接收机的信号包括载波和边带，有用信号藏于边带内；为加大边带贡献，必须减小载波分量；压缩载波信号的方法是抽取一半纯净载波信号，经幅度、相位精细调整与进入接收机的混合信号相减；载波压缩比能达到50dB。

2.根据权利要求1所述的基于微波或射频无电源宽带载波对消信号检测方法，其特征是，反射波幅度基本保持恒定,而相位会发生变化,成为等幅调相波；反射波辐角φ随电极间距t的变化率近似为：

3.根据权利要求2所述的基于微波或射频无电源宽带载波对消信号检测方法，其特征是，调相波的相位调制度最大化与最高调相灵敏度时，t应尽量小，且满足

当频率降低以后，同样适用于集中参数情形，其时，特性阻抗Z₀解释为源阻抗；C为电容、ω仍为圆频率。

4.根据权利要求1-3之一所述的基于微波或射频无电源宽带载波对消信号检测方法，其特征是，采用有线连接方式；微波或射频连续波信号(1)入射到定向耦合器器(2)上，经10dB定向耦合器耦合出本振信号进入镜像抑制混频器(9)本振口；主信号入射到功分器(3)，分别进入March-Zender干涉仪的两臂；一臂通过环行器(4)进入幅相调节器，进入功率合成器(7)；另一臂通过第二环行器进入振动传感器被相位调制后进入功率合成器(7)，进入功率合成器的信号包含载波信号及蕴含振动信息的边带信号；其中，设调制度为c，则载波信号正比于零阶Bessel函数J₀(c)，边带信号正比于J₁(c)；使载波在功率合成器(7)内相减，精确调节下能降低50dB；边带保留，幅度为2J₁(c)，边带和载波在时间上正交。

5.根据权利要求4所述的基于微波或射频无电源宽带载波对消信号检测方法，其特征是，应用的解调技术：载波对消以后，采用零差混频及正交解调技术；两路正交信号各自通过低通滤波器(10)经过低频处理单元(11)输出。