CN2266227Y

CN2266227Y - 多通道声表面窄带匹配滤波器组

Info

Publication number: CN2266227Y
Application number: CN 96216507
Authority: CN
Inventors: 戴永江; 吴海滨
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 1996-06-24
Filing date: 1996-06-24
Publication date: 1997-10-29
Anticipated expiration: 2006-06-24

Abstract

一种多通道声表面窄带匹配滤波器组，由频率选择通道，变频器和低通滤波器等组成。频率选择通道由多个不同频率与带宽的声表面滤波器及相应的频率选择电路构成的。输入信号经频率选择通道滤波后，经混频放大，然后同本地振荡或外本地振荡一起送低通滤波器再次滤波后输出。

Description

多通道声表面窄带匹配滤波器组

本实用新型涉及测距和测速的光电探测系统中输出频率信号处理的电子电路。

目前，以声表面器件制成的多通道窄带匹配滤波器组是测距和测速的光电探测系统信号预处理的有效工具之一。例如连续波调频体制的CO₂相干激光探测系统，探测的目标速度动态范围大，输出的频率信号变化范围大。其次，输出信号的半宽度与激光频率稳定度直接有关。CO₂激光器的频率稳定度高，输出信号的半宽度很窄。因此，输出信号是在宽谱的噪声背景上迭加一个较弱的高频输出信号尖锋。

考虑到测距和测速的光电探测系统输出信号的以上特点，必须有一组窄带通滤波器，将宽谱信号分割成一组组窄带的信号通道。另外，还必须降低输出信号的中心频率，以便利用高速数据采集系统进行信号预处理和数字化处理。再次，信号处理应当小型化和集总化。《Wind Engineering》Vol13介绍了英国测风速的CO₂相干激光探测系统，便利用了声表面匹配滤波器组，改善了后置处理电路。但由于通道数少，它只能测低速(0.5～4.5米/秒)目标。不能进一步降低信号中心频率，以采用高速数据采集系统进行快速傅立叶变换FFT的数字化信息处理，提高频率测量精度。目前国内尚无专用于测距和测速的光电探测系统的声表面窄带匹配滤波器组。

本实用新型采用声表面器件及相应的匹配网络，使系统半带宽减小，信噪比升高。通过多个声表面器件构成多通道窄带匹配滤波器组，可扩大总带宽，从而测量信号的频率范围得到提高。

利用由混频器、中频放大器、本机振荡器组成的变频器和低通窄带滤波器将所选择某一通道通过的高频信号，变为较低中频信号并保持原来信号的频谱分量的相对大小和相互间频率分布的相对位置。因而保持了原来高频信号中含有的信息，并进行放大，取得较大增益。最后通过一个窄带低通滤波器进一步滤除杂质信号，得到一个频谱纯净、信噪比很高的有用频率信号，再在计算机中通过快速富里叶变换(FFT)提高测频精度。

为达到上述目的，本实用新型整个系统由光电探测系统、信号的模拟处理系统和数字处理系统等三部分组成。其中信号模拟处理系统中的窄带匹配滤波器组由多个不同频率与带宽的声表面(SAW)滤波器及其相应的频率选择匹配网络、变频器和低通滤波器组组成。

下面结合附图详细阐述本实用新型的原理和结构，本实用新型频率选择通道是由多个不同频率与带宽的声表面(SAW)滤波器所组成的多通道频率选择电路构成的，所述的多通道频率选择电路的构成为：将电感L_1i和电容C_1i、电感L_2i和电容C_2i分别各自并联成电感电容(L_1iC_1i)和电感电容(L_2iC_2i)回路，其中角标i＝1，2，3，…，n为自然数，再依角标数由小到大的顺序将这些回路串联，在最后一组回路，即电感电容(L_2nC_2n)之后，串接一个电阻R，电阻R的另一端接地；在每一对电感电容(L_1iC_1i)和电感电容(L_2iC_2i)回路串联的节点上，引出两条线，一条接电容C_3i后连接地端，另一条经中心频率为f_0i的声表面滤波器后接混频器的输入端，经过混频器的频率信号将降低信号的频率到中频，经窄带低通滤波器进一步抑制杂波，得到频谱特征不变多普勒信号，再通过模/数(4/D)转换信号采集器在计算机中进行快速富里叶变换(FFT)进一步提高测频精度。下面将频率选择匹配网络的基本构造叙述如下：电感L₁₁与电容C₁₁、电感L₂₁与电容C₂₁；电感L₁₂与电容C₁₂、电感L₂₂与电容C₂₂，电感L₁₃与电容C₁₃、电感L₂₃与电容C₂₃；…电感L_1n与电容C_1n、电感L_2n与电容C_2n分别各自并联成电感电容(LC)回路后，依上述次序将这些电感电容(LC)回路串联。在电感L_2n和电容C_2n组成的电感电容(LC)回路之后串接一个电阻R，电阻R的另一端接地。在电感电容(L₁₁C₁₁)回路和电感电容(L₂₁C₂₁)回路相串联的节点上引出二条线：一条接电容C₃₁后连地端；另一条经中心频率为f₀₁的声表面滤波器件后输出到相应频率的混频器输入端S₁。在电感电容(L₁₂C₁₂)回路和电感电容(L₂₂C₂₂)回路相串联的节点上引出两条线，一条经电容C₃₂连地端，另一条经中心频率为f₀₂的声表面滤波器件后输出到相应频率的混频器输入端S₂，在电感L₁₃与电容C₁₃组成的回路和电感L₂₃与电容C₂₃组成的回路相串联的节点上引出两条线，一条接电容C₃₃后连地端，另一条经中心频率为f₀₃的声表面滤波器件后输出到相应频率的混频器输入端S₃；依此类推……在电感L_1n与电容C_1n组成的回路和电感L_2n与电容C_2n组成的回路相串联的节点上引出两条线，一条接电容C_3n后连地端，另一条经中心频率为f_0n的声表面滤波器件后输出到相应频率的变频器输入端S_n。上述每相邻通道的中心频率之间的频率差(f₀₁-f₀₂)＝(f₀₂-f₀₃)＝…＝(f_0(n-1)-f_0n)Δf，视所要求的光电接收系统的信噪比及匹配滤波器的设计及工艺而定。通道数n由光电探测器输出的信号频率范围ΔF及所要求的通道带宽Δf而决定。当ΔF一定时，每一声表面匹配滤波器的带宽Δf越窄，则需要通道数n就愈多，反之当Δf一定时，ΔF越宽，则需要通道数n也愈多。

各通道的输出端S₁、S₂、S₃…S_n分别与一个n个开关的K₁、K₂…K_n的输入端连接。当开关合上时，某一频率信号，由相应的滤波通道经耦合电容C₁进入变频器的混频电路。

在混频器中，电容器C_A一端与各通道本地振荡的公共电容C_B一端连接。这一本地振荡器由n个LC振荡器组成，每个振荡器的中心频率为各通道匹配滤波器带宽Δf的下限频率混频后经电容C_C输出的频率均为Δf。

各组振荡器另一输出端B共同经开关K₆，电感L₅及电容C₁₄作为外本振输入到混频器

经过混频后的频率值为|Δf|的信号，经电容C_C输出到窄带低通滤波器，再由它的输出端与模/数(A/D)转换器的输入连接进入计算机。

不同通道频率的信号及n组振荡器的信号均各行其通，混频放大器及窄带滤波器是公共用。因为各个频率信号的到来有时间次序，工作时相当于各通道各自进行混频和窄带通滤波。

本实用新型工作过程如下：

光电探测系统的输出信号经过中放后输出，它是具有一定的频率f_0n的信号，同时还含有其他频率的宽谱的杂波信号。这些信号进入横向窄带通滤波器的输入端后，先由信号频率所对应的电感电容(L_1nC_1n)和电感电容(L_2nC_2n)匹配网络进行阻抗匹配。而其他不是信号频率的杂波将受到表减或不响应。该信号再经过相应通道中的声感面窄带滤波器，进一步滤除通道外频的杂波。一定频率f0n的信号由声感面窄带滤波器的ε_i端(i＝1、2、3、4、…n)输出后，经电容C₄进入到变频器的混频器中，同时与来自变频器中的振荡器本振信号混频，产生相应通道带宽的下限频率f′_0n。两个频率信号经混频和放大后，得到在在通道的频率带宽Δf内的中频差频信号，再输入到一个带宽为Δf的窄带滤波器，进一步滤除杂波，这一变频后的信号反映了有用信号的频谱特征。

最后得到一个杂波信号被抑制的，精确的有用频率信号。当目标回波中有用的频率信号处于两个通道频率的交叉区域时，各个通道本地振荡信号同时以外本振形式输入到混频器中，只要处在交叉区的两个通道同时响应，便得到在交叉区的有用频率信号的精确频率值。这一信号再通过一个A/D数据采样口输入到计算机，完成数据预处理、FFT谱分析及频谱图的绘测。

本实用新型具有的积极效果是：

测距和测速的光电探测系统输出信号频率在声表面滤波器处被分为多个通道：例如35～55兆赫可分为4个通道；对30～100兆赫可分为16个通道。各通道的输出再分别与各通道的最低中心频率进行混频，并经低通滤波，输出信号的频率限制在一定的中频频率范围内。用高速采样速率为10兆赫的数据采样器，分别对各通道采样，经计算机FFT得到信号带宽范围内的整个频谱频谱辐值的大小表明信号的有无和大小，从而证实多通道声感面窄带匹配滤波器与快速傅里叶变换(FFT)谱分析器的组合系统对信号处理的效果。

由于采用了所述的声表面器件及相适应的频率选择通道，使系统的半带宽大大减小，且信噪比可大幅上升，达到准匹配。且可通过通道数量的增加使总带宽扩大，从而提高了测速范围。一般由要求目标速度采确定信号输出的频率范围，如表1所示。

表1λ＝10.6微米的信号频率与目标速度的对应关系

信号的频率(兆赫)	目标的速度(米/秒)
信号的频率(兆赫)	目标的速度(米/秒)	37.5	198.75
40	212	37.5	198.75
40	212	42.5	225.25
45	238.5	42.5	225.25
45	238.5	47.5	251.75
50	265	47.5	251.75
50	265	52.5	278.25

以下结合附图通过具体实施方案详细说明。

图1—多通道声表面(SAW)窄带匹配滤波器组原理框图

图2—多通道声表面(SAW)匹配滤波器组的总体电路

图3—采用了多通道声表面(SAW)匹配滤波器组的光电探测系统的框图。

从图1匹配滤波器组原理框图中可见，本实用新型的匹配滤波器组由频率选择通道1，变频器2和等组成。变频器2是由混频器3、中频放大器、本机振荡器及低通窄带滤波器组成，它的作用是将某一通道选择通过的高频信号，变为较低中频信号，保持原来信号的频谱分量的相对大小和相互间频率分布的相对位置。因而保持了原采频率信号中含有的由低到高的速度信息，再进行放大，取得较大增益。最后通过一个窄带低通滤波器滤除杂波信号，得到一个频谱纯净，信噪比很高的有用频率信号。

图2是多通道声表面窄带来匹配滤波器组的总体电路，其有几个频率选择通道。设每个通道的带宽为Δf＝f₀₁-f₀₂＝f₀₂-f₀₃＝…＝则可使用的信号频率范围ΔF为ΔF＝nΔf。此外，初始信号频率f₀₁的数值应根据表1中具体的使用要求的速度范围，由公式来决定。

令图2中参数n＝4，Δf＝5MHz，则得到一个四通道匹配滤波器组。图3的四通道窄带匹配滤波器组中f₀₁＝35MHz时，总带宽为ΔF＝4×5＝20MHz，应用频率范围为f₀₁+ΔF，即35～55MHz。

声表面波滤波器的插入损耗为20分贝。若直接与前放相连，输出信号将无法探测，因此必须在其前面由宽带的高增益放大器再次将信号放大。4通道窄带匹配滤波器的实验所用中放通带30～60兆赫，增益大于40分贝。多通道声表面波窄带匹配滤波器是本发明的核心器件，包括n个通道，通频带分别为：

例如对35～55兆赫分成30～40兆赫；40～45兆赫；45～50兆赫；50～55兆赫等四个通道。也可对30～110兆赫分成16个通道。每个通道制成一个单个元件。各通道单独测试的频率响应的通道3分贝带宽为5兆赫，带内波动2分贝，带外抑制约40分贝，插入损耗20～14分贝，输入和输出阻抗均为50欧姆。

上述n个单个通道组成一个横向的带通滤波器组，每一个通道必须由一匹配电路来实现。该匹配电路可采用K型梯形网络或M型梯形网络。目的是达到阻抗匹配和充分利用声表面器件的性能。本实验采用M型梯形网络组合各单个通道。变频器的目的是将每个通道的频率都变到0～5兆赫之内。各通道分别设置一个混频放大器和一个5兆赫的低通滤波器。本振为各通道的最低频率：如35兆赫、40兆赫、45兆赫、50兆赫。各通道的输出频率是信号频率减混频器输入本振频率的结果。除上述四个本振之外，还设置了一个外本振输入，目的是当目标信号的频移处在相邻两个通道的交叉区域时，用它来确定精确的频率值。

上述各参数中，影响所应用的频率范围，由使用要求决定；f_0n。为总带宽的上限值，亦由使用要求定；而Δf则影响系统的信噪比，Δf越小，则信噪比越高。但Δf过小，则结构过于庞杂，总带宽不利于总带宽的拓展，所以根据测速范围及测精度的要求Δf选择在1～5MHz之间较为适宜。

光电探测系统的框图如图3所示。该系统中的激光器为光栅选支连续波CO₂激光器，输出谱线用PZT晶体可调。当调整输具有最大功率时，输出波长λ＝10.6微米，为P20支谱线，输出最大功率达5瓦，输出激光为线偏振光。输出光束经半反半透镜S₁分为两束。透射光经反射镜R₁、表减片、光阑和半反半透镜S₂，到达光电探测器表面，作为本振光。加入表减片和光栏的目的是减弱本振光强度，以使信号光和本振光的强度比合适，光电探测器具有最高的量子效率。S₁的反射光由透镜L₁聚焦在Ge声光调制器内。当有超声波在其中传播时，介质的折射率将受晶体的应变的调制而作周期性变化，这相当于一位相光栅，光通过它时将发生衍射。衍射光相对于入射光具有频移f_d并可在一定范围调制的信号光。图中的信号源和功放是用于激发超声波的。它可从探测的目标运动而产生的多普勒频率和测距信号所对应的频率所决定。另一束是直接透射光，被遮挡。衍射光经透镜L₂准直，再经反射镜R₂和半反半透镜S_z到达探测器表面，与本振光在探测器表面相干混频。光电探测系统的输出信号由锑镉汞探测器(MCT)给出：MCT探器本身就是混频器，它只能响应信号光和本振光的差频信号，输出信号很弱。前置放大器是一个宽带的低噪声放大器，高输入阻抗、低输出阻抗(50欧姆)。经前置放大器后输出的信号大小在20～40分贝毫伏之间。输出中频外差信号及各种噪声。对于变速运动的目标，其频谱形状基本相同，但谱线的位置不断移动。系统只要能够快速处理各种位置的谱线，就可实现对变速运动目标的频率的模拟跟踪处理。这是发明的核心部分。

本实用新型后端接中频FFT分析器的输入端。FFT谱分析器是一个数字处理系统。它包括：数字采集板和计算机FFT。数字采集板：信号的数字采集是由计算机控制的数字采样器来完成的。该采样器包括一个兆赫的模数转换器(A/D)和8K的缓冲存储器(RAM)，通过一个并行接口与计算机相连接。在计算机控制下，可分别对每个通道进行采样。该采样器是一个瞬时采样系统，每采集一次，只能得8K的数据，再由计算机对所采数据进行处理。计算机FFT：对由采样器所采数据实施快速傅里叶变换(FFT)，即得到相应通道的频谱。FFT程序用BASIC语言编写，可完成对数据的预处理、FFT、频谱图的显示等多种功能。

采样器的采样速率为10兆赫，FFT变换是1024点的变换，频谱精度ΔF＝9.7仟赫。信号源输出频率每改变0.5兆赫，对各通道采一次，经FFT变换得典型频谱。从所测数据中可以看到，对于通道的非交叉区域，该系统能够精确得到信号的频率。在混频器的每一个通道中都设置了一个外本振输入端，输入频率任意可调，一般把它的频率设置在比交叉频率小1兆赫的频率处。当存在频率模糊时，启用外本振，经计算机FFT信号减外本振的差频信号的频率，再与外本振相混频，即为信号的实际频率的频谱。

只有这样，整个系统才有以下功能：

1.系统对多普勒频率信号的有无及信号的大小都作出正确的判断。

2.与采用频谱仪处理相比，系统的体积和重量大大减小。

3.SAW器件数字化信号预处理有巨大的优越性得以发挥。其优点为：

(1)高度的稳定性

SAW组例不受温度等外界环境的任何影响；而模拟器件的性能都会由于温度等的变化而有所改变。

(2)高度的灵活性

系统的性能容易根据需要进行调整，时不同的目标和背景，要求采用不同的信号处理方式，系统灵活性正满足了这种要求。

(3)测量精度高。

测频精度可以满足要求。

Claims

一种多通道声表面窄带匹配滤波器组，由频率选择通道(1)和变频器(2)、低通滤波器(3)等组成，所述的变频器是由混频器(4)、放大器(5)、本机振荡器(6)和机外振荡(7)组成；输入的频率信号经频率选择通过其输出信号选频后，经耦合电容C₁进入混频器进行混频，混频后的信号经放大器放大后同本振信号或外本振信号合成后送低通滤波器滤波后输出；其特征在于：频率选择通道是由多个不同频率与带宽的声表面(SAW)滤波器所组成的多通道频率选择电路构成的，所述的多通道频率选择电路的构成为：将电感L_1i和电容C_1i、电感L_2i和电容C_2i分别各自并联成电感电容(L_1iC_1i)和电感电容(L_2iC_2i)回路，其中角标i＝1，2，3，…，n为自然数，再依角标数由小到大的顺序将这些回路串联，在最后一组回路，即电感电容(L_2nC_2n)之后，串接一个电阻R，电阻R的另一端接地；在每一对电感电容(L_1iC_1i)和电感电容(L_2iC_2i)回路串联的节点上，引出两条线，一条接电容C_3i后连接地端，另一条经中心频率为f_0i的声表面滤波器后接混频器的输入的输入端，经过混频器的频率信号将降低信号的频率到中频，经窄带低通滤波器进一步抑制杂波，得到频谱特征不变多普勒信号，再通过模/数(A/D)转换信号采集器在计算机中进行快速富里叶变换(FFT)进一步提高测频精度。