JP7410570B2 - 受動協調ターゲットを有する測定装置 - Google Patents
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Description
今日のSDRは3つの機能原則のうちの1つによって作動する。
入力信号の直接デジタル化
入力信号は、最も経済的なアナログ処理の後に、フィルター及び前置増幅器或いは減衰器によって直接デジタル化される。ナイキストの定理によれば、デジタル化のための入力信号は、信号を再構成するために、最大有用周波数の少なくとも2倍でサンプリングされなければならない。現今では、12ビット分解能(解像度)で3.6GSPSまでのサンプリング周波数を有するA/Dコンバーターがある。これは、1500MHzまでの受信範囲を可能にする。
そのような受信機の第一段は、従来のスーパーヘテロダイン受信機とほとんど異ならない。アナログフィルターは、使用される最大有用信号帯域幅に対して設計されている。これにより、その後の処理のための高い信号強度に対する要件を低減するばかりでなく、サンプリング周波数を大幅に低減することを可能にする。すなわち、10kHzの中間周波数帯域幅では、例えば、丁度20kHzのサンプリング周波数で十分である(サブサンプリング)。十分に強力なデジタル信号プロセッサ(DSP)が、必要とされる帯域幅を有する様々な水晶フィルターより著しく安価であるため、この概念は今広く使われている。さらに、DSPはまた、従来のアナログ技術よりも著しく良い特性や多くの可能性を有する、利得制御や復調のような他の機能を実行することもできる。
ダイレクトミックス受信機とは、入力信号が同一の搬送周波数の発振器信号と直接混合されて、復調される受信機の概念である。モールス信号を受信することを望んだ人々のために、オーディオンが1920年代にこの原理で既に作動していた。従来のダイレクトミキサーに関する問題点は、イメージ周波数抑制の欠如であり、すなわち、発振器周波数1kHzより下の正弦信号が発振器周波数の1kHzより上の正弦信号と正確に同一の出力信号を与えることである。SDRは、「複素」信号処理すなわちI/Q信号と呼ばれる実数部及び虚数部で計算することによって、この問題を解決する。そのI/Q信号の「I」は、「同位相(同調)」及び実数部を表す。また、「Q」は直角位相及び信号の虚数部を表わす。この目的のために、2つの並列のミキシング段がダイレクトミキサー受信機の入力部において使用され、その受信機の発振器信号は90°だけ位相変位される。そのような発振器信号は、デジタル技術で生成するのが非常に簡単である。それらの2つのミキサーの出力信号は並列にデジタル化され、デジタル処理される。ここでは、ヒルバート変換が中心的な役割を果たす。結局、ヒルバート変換は、信号振幅に影響を及ぼさずに、周波数依存遅延を生成し、その結果、信号は90°だけ位相回転される。
斯くして、1kHzの信号は、250μsだけ遅延され、10kHzの信号は25μsだけ遅延される。最終的には、0°の移相及び90°の移相を有する2つのダイレクトスーパーインポーズ信号が利用可能である。
2つの信号を加算する或いは減算することによって、2つの側波帯の間で切り替えることができる。
好ましくは1kHzから10kHzまで、特に3kHzから5kHzまで、又は5kHzから10kHzまで、の第1周波数範囲、或いは
10kHzから50kHzまで、特に10kHzから19kHzまで、又は19kHzから50kHzまで、特に20kHzから45kHzまで又は20kHzから25kHzまで又は25kHzから44kHzまで又は44kHzから45kHzまで、の第2周波数範囲、或いは
50kHzから250kHzまで、特に50kHzから100kHzまで、又は100kHzから250kHzまで、の第3周波数範囲、或いは
250kHzから1MHzまでの第4周波数範囲、或いは
1MHzから10MHzまでの第5周波数範囲、或いは
10MHzから100MHzまでの第6周波数範囲、或いは
100MHzから400MHzまでの第7周波数範囲、或いは
400MHzから600MHzまでの第7周波数範囲、或いは
600MHzから900MHzまでの第8周波数範囲、或いは
900MHzから1GHzまでの第9周波数範囲、或いは
1GHzから5GHzまでの第10周波数範囲、或いは
5GHzから10GHzまでの更なる周波数範囲、或いはまた、
1mHzから1kHzまで、特に1mHzから0.5Hzまで、又は0.5Hzから1Hzまで、特に好ましくは1Hzから500Hzまで、特に1Hzから100Hzまで、好ましくはまた70Hzから95Hzまで、又はまた100Hzから250Hzまで、又はまた250Hzから1kHzまで、の周波数範囲、及び
20Hzから20kHzまで、又は20kHzから1GHzまで、又は1GHzから10THzまで、の更なる周波数範囲、である。
この発表は、初めて、無線超音波チャネルを介して高Q共振器の共振周波数を受動的に抽出するための計装方法を提示する。第1の用途として、受動無線温度測定が、本装置の無線及び受動動作の証拠と共に提示される。0.17°Cの温度分解能及び350mmの測定範囲が実証された。
表面弾性波デバイスに結合されたアンテナを用いた無線受動センシングと同様に、ここに提示された手法は、送信及び反射信号の時間領域分離に基づいており、これは次の刊行物において議論されている。Reindl, L.; Scholl, G.; Ostertag, T.; Scherr, H.; Wolff, U.; Schmidt, F.、「Theory and application of passive SAW radio transponders as sensors」、IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 1998, 45, 1281-1292。表面弾性波デバイスを用いた無線受動検知に関するその詳細においては、それはここで明示的に参照されるが、その提示された手法は、送信及び反射信号の時間領域分離に基づいている。無線センサーシステムは、能動部品に信号処理を行う励起及び受信素子と、受動センサーノードに発振荷重がかかるトランシーバーとを含んでいる。受動センサーノードは、放射素子すなわち超音波トランスデューサに電気的に接続された共振器から成る。品質係数、すなわち本出願における共振器用の主要な品質係数は、以下のように定義される。
概念設計のための主要な焦点は、無線超音波質問を行う共振周波数の受動抽出である。高Q値を有する温度補償水晶音叉共振器が使用される。本センサーシステムを実現するために、温度計測音叉共振器が本明細書において以降に提示されるであろう。計装セットアップが図2に示される。市販の電子部品は、40kHzの中心周波数を有しており、非常に正確なインピーダンス測定で分析された。
使用されるセンサーは温度測定オシレーター(TSXO)であり、それは音叉共振器として設計されている。該センサーは、その高Q係数及びkHz範囲の低周波により、長い発振時間を達成する。図4における測定のために、-30°Cから+90°Cへの温度勾配が人工気象室内の共振器に付加される。それはバーストモード技術を使用してサンプリングされ、また、温度に依存する共振周波数が、赤色領域として図3aに示されるように、非拘束の時間フレームにおいて多重FFTで計測される。励起周波数は、それを予め得られた共振周波数に設定し、提示されたデジタル制御位相ロックループのフィードバックチェーンを完成させることにより、温度勾配により調節される。励起周波数を予め得られた共振周波数に設定し、測定発振器或いは共振器用の、提示されたデジタル制御位相ロックループのフィードバックチェーンを完成させることにより、励起周波数が温度勾配によって調整されるというこの原理は、次の刊行物に詳細に記載されている。Pohl, A.; Ostermayer, G.; Seifert, F.、「Wireless sensing using oscillator circuits locked to remote high-Q SAW resonators」、IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 1998, 45, 1161-1168。この刊行物はここで明示的に参照される。
この著作物は、無線超音波チャネルを介して高Q共振器の共振周波数を抽出するための計装方法を提示した。本装置の無線及び受動動作の草案の概念に加えて、受動無線温度測定が提示される。0.17°Cの温度分解能及び350mmの測定範囲が実証された。この提示されたシステムの設計及び実施には、共振周波数及び変換器と共振器との間のインピーダンスを慎重にチューニングする必要があることが示された。更に、環境の雑音レベルによっては、共振周波数の正確な無線抽出のために、共振器のQ係数を高く(~100,000)しなければならない。本明細書において提示された新しい無線検出技術は、可動部や、閉じた空胴内や、水中の環境における測定に関して、大きな潜在的用途を有している。
この測定は、10Vss質問ソースによって50mmの距離で行なわれる。1kmまでの範囲が著者(本発明者)によって達成された。
2 マイクロコントローラ
3 DAC
4 フィルター
5 Tx AMP
6 Rx AMP
7 フィルター
8 ADC
9 Tx信号
10 Rx信号
11 超音波センサー/ラベル
12 調整
13 共振器
14 負荷
15 関数発生器 Tektronix AFG3102
16 超音波送信機
17 オシロスコープ Rohde & Black RTO1044
18 超音波受信機
19 計装電圧(V)
20 励起周波数 =39995.20Hz
21 パルス持続時間 =0.502秒
22 共振周波数 =39996.56Hz
23 減衰時間 =0.502秒
24 品質係数 =101788
25 時間(s)
26 計装電圧(V)
27 時間(s)
28 共振周波数(kHz)
29 32.718kHz共振器
30 二次曲線近似
31 二次曲線近似の残差(mHz)
32 温度(°C)
33 関数発生器
34 超音波送信機
35 超音波受信機
36 オシロスコープ
37 共振器
38 超音波コンバーター
39 決定された共振周波数(kHz)
40 DUTレスポンス
41 Pt100基準値
42 温度(°C)
43 時間(hours)
Claims (25)
- 質問ユニットに接続された第1電気音響変換器と、共振器に電気的に接続された少なくとも1つの第2電気音響変換器とを備えたシステムであって、前記第1電気音響変換器及び前記第2電気音響変換器は音響チャネルを形成し、前記第2電気音響変換器は、前記共振器と共に、受動協調ターゲットを形成し、前記ターゲットは、前記質問ユニットから質問信号を受信する時、前記音響チャネルを介して応答信号を送信し、前記質問信号のスペクトラムは前記共振器の共振周波数を含み、また、前記質問信号は前記応答信号より高いエネルギーを有する、システム。
- 前記質問ユニットはソフトウェア質問ユニットである、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1及び/又は前記第2電気音響変換器は、超音波又は超低周波用の音響変換器である、請求項1又は2に記載のシステム。
- 前記共振器は高Q係数を有する共振器である、請求項1~3のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記共振器は、前記質問信号の環境的に誘導された信号反射が減衰するまで、前記高Q係数により前記質問信号のエネルギーの少なくとも一部を蓄積する、請求項4に記載のシステム。
- 前記共振器は、薄膜共振器、圧電性の薄膜共振器、誘電体共振器、或いは水晶音叉共振器である、請求項1~5のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記共振器は単一ポート共振器である、請求項1~6のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記共振器は測定量の関数として少なくとも1つの共振周波数を有している、請求項1~7のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記共振周波数は温度応答補償される、請求項8に記載のシステム。
- 前記応答信号は前記質問信号に対して周波数シフトされる、請求項1~9のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記質問信号は、前記質問ユニットによって送信される、請求項1~10のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記質問信号は、前記質問ユニット以外の信号源によって送信される、請求項1~10のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記受動協調ターゲットは能動電子部品を含まない、請求項1~12のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記受動協調ターゲットはそれ自身のエネルギー源を含まない、請求項1~13のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記受動協調ターゲットは、前記応答信号を前記質問信号から前記音響チャネルを介して送信するために必要なエネルギーを生成する、請求項1~14のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記音響チャネルは、1kHzから10THzまでの周波数範囲に配置される、請求項1~15のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記第1及び/又は前記第2電気音響変換器は、双方向の音響変換器である、請求項3に記載のシステム。
- 前記質問信号は、少なくとも1つの矩形の質問パルス、及び/又はビート信号、及び/又は周波数変調された質問信号として、前記質問ユニットによって送信される、請求項11に記載のシステム。
- 前記質問信号は、少なくとも1つの矩形の質問パルスとして、前記質問ユニット以外の信号源によって送信される、請求項12に記載のシステム。
- 前記音響チャネルは、
1kHzから10kHzまで、特に3kHzから5kHzまで、又は5kHzから10kHzまで、の第1周波数範囲、或いは
10kHzから50kHzまで、特に10kHzから19kHzまで、又は19kHzから50kHzまで、特に20kHzから45kHzまで又は20kHzから25kHzまで又は25kHzから44kHzまで又は44kHzから45kHzまで、の第2周波数範囲、或いは
50kHzから250kHzまで、特に50kHzから100kHzまで、又は100kHzから250kHzまで、の第3周波数範囲、或いは
250kHzから1MHzまでの第4周波数範囲、或いは
1MHzから10MHzまでの第5周波数範囲、或いは
10MHzから100MHzまでの第6周波数範囲、或いは
100MHzから400MHzまでの第7周波数範囲、或いは
400MHzから600MHzまでの第7周波数範囲、或いは
600MHzから900MHzまでの第8周波数範囲、或いは
900MHzから1GHzまでの第9周波数範囲、或いは
1GHzから5GHzまでの第10周波数範囲、或いは
5GHzから10GHzまでの更なる周波数範囲に配置される、請求項16項に記載のシステム。 - 前記音響チャネルは、3kHzから5kHzまで、又は5kHzから10kHzまでの周波数範囲に配置される、請求項16項に記載のシステム。
- 前記音響チャネルは、10kHzから19kHzまで、又は19kHzから50kHzまで、又は20kHzから45kHzまで、又は20kHzから25kHzまで、又は25kHzから44kHzまで、又は44kHzから45kHzまでの周波数範囲に配置される、請求項16項に記載のシステム。
- 前記音響チャネルは、50kHzから100kHzまで、又は100kHzから250kHzまでの周波数範囲に配置される、請求項16項に記載のシステム。
- 前記音響チャネルは、1mHzから1kHzまで、1mHzから0.5Hzまで、又は0.5Hzから1Hzまで、又は1Hzから500Hzまで、又は1Hzから100Hzまで、又は70Hzから95Hzまで、又は100Hzから250Hzまで、又は250Hzから1kHzまでの周波数範囲に配置される、請求項16項に記載のシステム。
- 前記音響チャネルは、20Hzから20kHzまで、又は20kHzから1GHzまで、又は1GHzから10THzまでの周波数範囲に配置される、請求項16に記載のシステム。
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