CN115096954B - 介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统标定方法及系统，方法包括以下步骤：基于无芯片射频识别传感终端、数据读取处理终端、阻抗匹配模型，无芯片射频识别标签天线的辐射部分采用碳纳米管结构，分析乙烯在无芯片射频识别标签表面吸附、释放时，碳纳米管负载无芯片射频识别阻抗、介电常数、功率反射系数、谐振频率、回波损耗发生的变化，拟合不同乙烯浓度介质干扰环境中的反向散射信号数据，标定浓度识别的多项式函数模型参数。本发明在实际介质干扰环境针对不同乙烯浓度进行乙烯浓度识别模型的标定，可以使模型的标定更加准确。

Description

介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统标定方法及 系统

技术领域

本发明涉及气体探测技术领域，更具体涉及介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统标定方法及系统。

背景技术

乙烯是果实成熟过程中的常见气体，传统的半导体、电化学和光学气体检测方法通常使用有线连接来检测视距范围内的乙烯。但是，半导体检测方法存在零点漂移、工作温度高等缺点；电化学检测法使用的电极寿命短，维护成本高；光谱学、质谱法、气相色谱法仪器成本高，携带方便，不适合生产场景的常规检测；同时，电线连接增加了能耗和热量积聚，可能引起爆炸。因此，使用碳纳米管作为标签的CRFID(Chipless Radio FrequencyIdentification,射频识别芯片)的检测方法对于无法进行电路有线连接的乙烯检测场景具有不可替代的优势。

现有的基于天线失配失谐的乙烯气检测方法多以元件负载变化引起的反射信号特征变化为主要评价依据，这些方法在单一变量下乙烯气检测环境中具有良好的实验效果。但是，在实际应用中，基于碳纳米管CRFID终端的乙烯检测设备可能受到多种乙烯以外的干扰因素的组合或变化而引起的检测信号的可变性和非线性变化的影响，进而导致现有技术标定的乙烯检测模型不够准确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统标定方法及系统，以提高乙烯检测模型标定的准确性。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

本发明提供了介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统标定方法，，所述方法包括：

将乙烯检测系统置于各种设定浓度的乙烯的介质干扰环境中，利用CRFID传感终端感知碳纳米管在吸收以及释放乙烯分子时的电特征信号变化量，其中，所述电特征信号包括：反向散射信号数据、功率，介电常数，谐振频率，回波损耗；

对CRFID传感终端的电特征信号进行处理；

利用处理后的信息修正射频链路模型中的数学因数，得到乙烯浓度识别模型。

可选的，利用CRFID传感终端感知碳纳米管在吸收以及释放乙烯分子时的电特征信号变化量，包括：

在若干个设定频段以及各种乙烯浓度下下，分别利用CRFID传感终端感知碳纳米管在吸收以及释放乙烯分子时的电特征信号变化量。

可选的，在所述电特征信号为反向散射信号的功率时，利用公式，计算出CRFID负载终端体系感知的反向散射信号功率，其中，

P_R<-T[Ψ]为碳纳米管负载CRFID反向散射给接收天线的功率；λ₀为链路电磁波波长；r为碳纳米管负载CRFID与接收天线之间的距离；G_R(θ,Φ)为接收天线的增益；G_T(θ,Φ,Ψ(t))为碳纳米管负载CRFID对于碳纳米管薄膜的增益；P_in为接收天线的接收功率；η_P为碳纳米管负载CRFID与接收天线U45之间的极化失配系数；rcs_T为功率反射系数。

可选的，所述利用处理后的信息修正射频链路模型中的数学因数，得到乙烯浓度识别模型，包括：

利用处理后的信息修正多项式函数模型其中，

f(x₁)为谐振频率变化量Δf_c；x₁为碳纳米管标签的介电常数；[a,b,c,d]为数学因数；x₂为反向散射功率，且x₂＝PR<-T[Ψ]；q为线性系数；ε为常数量。

本发明提供了介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统，所述系统包括：CRFID负载终端体系、介质干扰分析模块、场景测量与反演模块、射频链路模型，其中，

CRFID负载终端体系用于通过CRFID传感终端、数据读取处理终端、结合阻抗匹配模型对电磁信号的时域和频域特征分析，输出电特征信号至介质干扰分析模块；

介质干扰分析模块用于在乙烯干扰测试环境下，从电特征信号中提取出阻抗变化特征和CRFID功率反射系数变化特征；

场景测量与反演研究模块，用于识别乙烯环境中碳纳米管在射频范围内的阻抗特性、气敏特性，进行场景测量与模拟演算，研究乙烯环境中的碳纳米管阻抗变化特征和功率反射系数变化特征。

射频链路模型中加载有待修正数学因子的乙烯浓度识别模型，其中，所述乙烯浓度识别模型包括：多项式函数模型。

可选的，所述CRFID负载终端体系包括：包含CRFID传感终端、数据读取处理终端、阻抗匹配模型，其中，

CRFID传感终端包括射频模块和碳纳米管，碳纳米管加载CRFID的中心频率为2.4GHz，且碳纳米管为基于FR4介质基板的蝴蝶结偶极子天线；

数据读取处理终端对射频信号的感知、采集、传输、处理，接收频率信号，得到各种乙烯浓度下的反向散射信号；

阻抗匹配模型提取出乙烯分子吸附-释放碳纳米管负载阻抗的变化特征。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明在乙烯吸附到CRFID标签表面时，乙烯环境中碳纳米管负载CRFID随频率增大阻抗线性降低，CRFID标签的后向散射信号受碳对纳米管阻抗变化的影响变化。随着乙烯浓度的增加，有效介电常数增大，谐振频率偏移。反向散射的功率发生变化，回波损耗向下偏移。在不同浓度乙烯气体环境中，标定浓度识别的多项式函数模型参数，以谐振频率、中心工作频率下的回波损耗的变化量识别乙烯浓度，相对于现有技术中基于天线失配失谐的校正方法，能更好的评价线性与非线性变化，进而提高了乙烯检测模型标定的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统标定方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统标定方法的原理示意图；

图3为本发明实施例提供的射频链路模型的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

图1为本发明实施例提供的介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统标定方法的流程示意图。

为了能够清楚的说明本发明实施例1的技术基础，首先对介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统的组成进行介绍。图2为本发明实施例提供的介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统标定方法的原理示意图，如图2所示，系统包括CRFID负载终端体系U1、介质干扰分析模块U2、场景测量与反演模块U3。所述CRFID负载终端体系U1包含CRFID传感终端U11、数据读取处理终端U12、阻抗匹配模型U13，通过CRFID传感终端U11、数据读取处理终端U12、结合阻抗匹配模型U13对电磁信号的时域和频域特征分析，研究乙烯环境中碳纳米管负载阻抗变化引起的CRFID反向散射信号变化。

所述CRFID传感终端U11包括射频模块和碳纳米管，碳纳米管加载CRFID的中心频率为2.4GHz，天线基于FR4介质基板(介电常数4.4，厚度2mm)，采用蝴蝶结偶极子的形式；数据读取处理终端U12对射频信号的感知、采集、传输、处理，接收频率信号，得到不同乙烯浓度下的信号；阻抗匹配模型U13反映乙烯分子吸附-释放碳纳米管负载阻抗的变化。

所述介质干扰分析U2包括反向散射信号数据U21、介电常数U22、功率U23、谐振频率U24、回波损耗U25。在介质干扰乙烯环境下，通过分析介电常数U22、功率U23、谐振频率U24、回波损耗U25参数，研究乙烯环境中碳纳米管介电常数影响阻抗的变化特征、CRFID功率反射系数变化。

所述场景测量与反演U3研究乙烯环境中碳纳米管在射频范围内的阻抗特性U31、气敏特性U32，结合介质干扰分析U2进行场景测量与模拟演算。所述阻抗特性U31、气敏特性U32，研究乙烯环境中的阻抗和功率反射系数变化特性。

所述射频链路模型U4包括介质干扰环境U41、碳纳米管负载CRFID U42、参数仿真U43、发射天线U44、接收天线U45、信号采集U46；所述射频链路模型U4模拟了一个典型的介质干扰环境U41中射频链路传输模型。

所述射频链路模型U4研究模拟了一个典型的介质干扰环境U41，碳纳米管负载CRFID标签U42置于介质干扰环境U41；参数仿真U43基于仿真处理软件，嵌入干扰模型，并对链路干扰进行分析评价，得到不同干扰参数和编码参数下的仿真结果。发射天线U44由测试系统作为发送射频载波的天线；接收天线U45作为标签射频波的接收天线；发射天线U44和接收天线U45垂直极化，在变化方向上接收不同强度信号。信号采集U46对仿真环境中感知参数进行采集。

如图1所示，所述方法包括：

S101：将乙烯检测系统置于包含了各种设定浓度的乙烯的介质干扰环境中，利用CRFID传感终端感知碳纳米管在吸收以及释放乙烯分子时的电特征信号变化量，其中，所述电特征信号包括：反向散射信号数据、功率，介电常数，谐振频率，回波损耗。

基于CRFID传感终端U11、数据读取处理终端U12、阻抗匹配模型U13，使用实时频谱分析仪和电磁监测分析仪进行射频链路监测，网络分析仪利用天线发送扫频信号，接收频率信号，得到不同乙烯浓度下反向散射信号数据U21。通过对底极坐标系数据的变换处理，得到原始的电磁信号电平样本数据集。

碳纳米管负载的电阻值作为一个可变电阻，当碳纳米管遇到待测气体时，介电常数U22变化影响电阻值发生改变，从而改变CRFID标签的反射系数，使得后向散射信号数据U21发生变化。乙烯气的存在会影响单极天线的阻抗和增益，进而影响接收天线U45的功率U23变化。因此，在所述电特征信号为反向散射信号的功率时，可以利用公式，

计算出CRFID负载终端体系感知的反向散射信号功率，其中，

P_R<-T[Ψ]为碳纳米管负载CRFID反向散射给接收天线的功率；λ₀为链路电磁波波长；r为碳纳米管负载CRFID与接收天线之间的距离；G_R(θ,Φ)为接收天线的增益；G_T(θ,Φ,Ψ(t))为碳纳米管负载CRFID对于碳纳米管薄膜的增益；P_in为接收天线的接收功率；η_P为碳纳米管负载CRFID与接收天线U45之间的极化失配系数；rcs_T为功率反射系数。

S102：CRFID传感终端的电特征信号进行处理。

可以理解的是，本步骤的目的在于，利用数据读取处理终端根据对CRFID传感终端输出的电特征信号进行处理，以使电特征信号能够被介质干扰分析模块识别出来。

S103：利用处理后的信息修正射频链路模型中的数学因数，得到乙烯浓度识别模型。

图3为本发明实施例提供的射频链路模型的结构示意图，如图3所示，

在确定碳纳米管在射频范围内的阻抗特性U31和气敏特性U32之前，首先将空载传感器数据，即未识别到乙烯时的电特征数据作为校准传感器的参考数据，可以每隔半小时进行多次测试，记录传感器的行为。

在碳纳米管负载的CRFID U42置于介质干扰环境U41中，乙烯分子吸附在CRFID标签表面，乙烯环境中碳纳米管负载CRFID U42随频率增大阻抗减小，功率反射系数相对空气环境下降，电阻变化的重复性系数高于电容变化的重复性系数；CRFID标签的后向散射信号U21受碳纳米管阻抗变化的影响变化，有效介电常数U22发生变化，谐振频率U24偏移。反向散射的功率U23发生变化，回波损耗U25向下偏移。基于上述特性，再以不同乙烯浓度为标定值，谐振频率U24变化为监测值，介电常数U22为监测变量。利用上述参数对多项式函数模型拟合，得到数学因数[a,b,c,d]的值和多项式函数拟合模型f(x1)；以不同乙烯浓度为标定值，中心频率2.4Ghz处回波损耗U25变化为监测值，反向散射的功率U23变化为监测变量，对多项式函数模型拟合，得到线性系数q的值和ε为常数值，拟合线性函数模型f(x2)。进而实现以不同浓度乙烯气体标定的谐振频率和中心频率处回波损耗变化量识别乙烯浓度。

进一步的，在实际应用中，还可以根据乙烯在无芯片射频识别标签表面吸附、释放时，碳纳米管负载无芯片射频识别阻抗、介电常数、功率反射系数、谐振频率、回波损耗发生的变化，拟合不同乙烯浓度介质干扰环境中的反向散射信号数据，标定浓度识别的多项式函数模型参数，具体的，可以利用处理后的信息修正多项式函数模型其中，

f(x₁)为谐振频率变化量Δf_c；x₁为碳纳米管标签的介电常数；[a,b,c,d]为数学因数；x₂为反向散射功率，且x₂＝PR<-T[Ψ]；q为线性系数；ε为常数量。

进一步的，为了保证实验过程中不同场景的一致性，电磁波测试采用特殊的短距离通信工作频率。进行标定时，可以预设若干个频段，分别在各个频段进行标定同一个多项式函数，以使多项式函数能够同时覆盖多种频段。

发明人发现，现有的基于RFID跨域感知的乙烯检测多以元件负载变化导致的射频链路失配失谐为依据，如以负载的阻抗值、电容值，天线谐振频率或相位偏移变化量作为乙烯浓度的度量，这些方法在特定的乙烯检测环境下具有较好的实验结果。在微功率条件下碳纳米管负载RFID用于乙烯非视距检测过程中，介质干扰使得传感器再现性受到抑制，介质几何特征和介电常数导致碳纳米管负载RFID链路扰动，从而影响乙烯检测的准确性。

本发明提出的以碳纳米管负载无芯片射频识别阻抗、介电常数、功率反射系数、谐振频率、回波损耗发生的变化量为灵敏度参数的实现方案，拟合不同乙烯浓度介质干扰环境中的反向散射信号数据，标定浓度识别的多项式函数模型参数，提升了非目标干扰因素组合或者变动导致反向散射链路特征变化的模型标定准确性。

综上，本发明以乙烯环境下碳纳米管负载阻抗变化引起的CRFID反向散射信号变化为切入点，CRFID负载终端体系U1基于CRFID传感终端U11、数据读取终端U12、阻抗匹配模型U13，采用介质干扰分析U2与场景测量与反演U3方法对乙烯环境中碳纳米管负载CRFID的阻抗特性U31、气敏特性U32进行了研究。考虑CRFID标签天线的辐射部分可采用碳纳米管结构，当乙烯吸附到CRFID标签表面时，乙烯环境中碳纳米管负载CRFID随频率增大阻抗线性降低，CRFID标签的后向散射信号U21受碳对纳米管阻抗变化的影响变化。随着乙烯浓度的增加，有效介电常数U22增大，谐振频率U24偏移。反向散射的功率U23发生变化，回波损耗U25向下偏移。在不同浓度乙烯气体环境中，标定浓度识别的多项式函数模型参数，以谐振频率U24、中心工作频率回波损耗U25的变化量识别乙烯浓度，为介质干扰环境下基于无芯片射频识别的乙烯检测提供了一种可靠的理论和标定方法。

实施例2

对应于本发明实施例1，本发明实施例2还提供了介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统，所述系统包括：CRFID负载终端体系、介质干扰分析模块、场景测量与反演模块、射频链路模型，其中，

CRFID负载终端体系用于通过CRFID传感终端、数据读取处理终端、结合阻抗匹配模型对电磁信号的时域和频域特征分析，输出电特征信号至介质干扰分析模块；

介质干扰分析模块用于在乙烯干扰测试环境下，从电特征信号中提取出阻抗变化特征和CRFID功率反射系数变化特征；

场景测量与反演研究模块，用于识别乙烯环境中碳纳米管在射频范围内的阻抗特性、气敏特性，进行场景测量与模拟演算，识别乙烯环境中的碳纳米管阻抗变化特征和功率反射系数变化特征。

射频链路模型中加载有待修正数学因子的乙烯浓度识别模型，其中，所述乙烯浓度识别模型包括：多项式函数模型。

阻抗变化特征和功率反射系数变化特征为点特征信号变化量。

在本发明实施例2的一种具体实施方式中，所述CRFID负载终端体系包括：包含CRFID传感终端、数据读取处理终端、阻抗匹配模型，其中，

CRFID传感终端包括射频模块和碳纳米管，碳纳米管加载CRFID的中心频率为2.4GHz，且碳纳米管为基于FR4介质基板的蝴蝶结偶极子天线；

数据读取处理终端对射频信号的感知、采集、传输、处理，接收频率信号，得到各种乙烯浓度下的反向散射信号；

阻抗匹配模型提取出乙烯分子吸附-释放碳纳米管负载阻抗的变化特征。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统标定方法，其特征在于，所述方法包括：

将乙烯检测系统置于包含了各种设定浓度的乙烯的介质干扰环境中，利用CRFID传感终端感知碳纳米管在吸收以及释放乙烯分子时的电特征信号变化量，其中，所述电特征信号包括：反向散射信号数据、功率，介电常数，谐振频率，回波损耗；

对CRFID传感终端的电特征信号进行处理；

利用处理后的信息修正射频链路模型中的数学因数，得到多项式函数拟合模型f(x₁)；以不同乙烯浓度为标定值，中心频率处回波损耗变化为监测值，反向散射的功率变化为监测变量，对多项式函数模型拟合，得到线性系数q的值和ε为常数值，拟合线性函数模型f(x₂)；进而得到乙烯浓度识别模型，其中，f(x₁)为谐振频率变化量Δf_c；x₁为碳纳米管标签的介电常数；[a,b,c,d]为数学因数；x₂为反向散射功率，且x₂＝PR<-T[Ψ]；q为线性系数；ε为常数量。

2.根据权利要求1所述的介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统标定方法，其特征在于，利用CRFID传感终端感知碳纳米管在吸收以及释放乙烯分子时的电特征信号变化量，包括：

在若干个设定频段以及各种乙烯浓度下下，分别利用CRFID传感终端感知碳纳米管在吸收以及释放乙烯分子时的电特征信号变化量。

3.根据权利要求1所述的介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统标定方法，其特征在于，在所述电特征信号为反向散射信号的功率时，利用公式，计算出CRFID负载终端体系感知的反向散射信号功率，其中，

P_R<-T[Ψ]为碳纳米管负载CRFID反向散射给接收天线的功率；λ₀为链路电磁波波长；r为碳纳米管负载CRFID与接收天线之间的距离；G_R(θ,Φ)为接收天线的增益；G_T(θ,Φ,Ψ(t))为碳纳米管负载CRFID对于碳纳米管薄膜的增益；P_in为接收天线的接收功率；η_P为碳纳米管负载CRFID与接收天线U45之间的极化失配系数；rcs_T为功率反射系数。

4.根据权利要求1所述标定方法的介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统，其特征在于，所述系统包括：CRFID负载终端体系、介质干扰分析模块、场景测量与反演模块、射频链路模型，其中，

CRFID负载终端体系用于通过CRFID传感终端、数据读取处理终端、结合阻抗匹配模型对电磁信号的时域和频域特征分析，输出电特征信号至介质干扰分析模块；

介质干扰分析模块用于在乙烯干扰测试环境下，从电特征信号中提取出阻抗变化特征和CRFID功率反射系数变化特征；

场景测量与反演研究模块，用于识别乙烯环境中碳纳米管在射频范围内的阻抗特性、气敏特性，进行场景测量与模拟演算，识别乙烯环境中的碳纳米管阻抗变化特征和功率反射系数变化特征；

射频链路模型中加载有待修正数学因子的乙烯浓度识别模型，其中，所述乙烯浓度识别模型包括：多项式函数模型。

5.根据权利要求4所述的介质干扰环境下基于无芯片射频识别的检测系统，其特征在于，所述CRFID负载终端体系包括：包含CRFID传感终端、数据读取处理终端、阻抗匹配模型，其中，

CRFID传感终端包括射频模块和碳纳米管，碳纳米管加载CRFID的中心频率为2.4GHz，且碳纳米管为基于FR4介质基板的蝴蝶结偶极子天线；

数据读取处理终端对射频信号的感知、采集、传输、处理，接收频率信号，得到各种乙烯浓度下的反向散射信号；

阻抗匹配模型提取出乙烯分子吸附-释放碳纳米管负载阻抗的变化特征。