面波测试（精选7篇）
面波测试 篇1
1引言
声表面波(SAW)气体传感器的基本原理是通过SAW器件表面所覆盖敏感膜对待测气体的吸附,引起SAW传播速度的变化,从而引起SAW振荡器的振荡频率变化,以实现对气体的监控和测量[1]。与其他气体传感器相比,SAW气体传感器具有以下优点如精度高、分辨率高,抗干扰能力强,适合于远距离传输;输出信号为振荡器频率的变化,易于与计算机接口。采用集成电路中的平面工艺制作,体积小,易集成化、智能化、低成本和大批量生产[2]。SAW气体传感器的主要性能指标取决于以下两方面:一是敏感膜,是传感器的化学方面。二是SAW振荡器,是传感器的物理方面。从SAW气体传感器的物理方面,其关键技术之一是直接影响传感器灵敏度和检测下限的核心构件—SAW振荡器的频率稳定度[3]。针对这点需要进行频率稳定度实验。该实验由三个模块组成:频率计采集振荡器输出,频率计与微机通信传输数据,后期数据处理画图。通常频率计自带软件完成与微机的通信的工作,并有专门的通信规约,口令,采集结束后的原始数据保存在软件相对应的目录下。而画图通常使用EXCEL或其他软件,需要手工从相应的目录中调出数据作图,在大批量实验时有步骤繁多,操作麻烦的困扰。本文中,先介绍SAW振荡器频率稳定度实验系统,运用MATLAB图形化界面编程工具,编写了控制系统数据发生,采集及后期处理的软件。通过该程序,后台的控制命令得到简化,整个系统被整合,具有操作简单、提高工作效率的优点,极大地方便了工程化的应用。
2实验系统介绍
实验系统的硬件部分由TTi TF830 1.3GHz频率计,YIZHAN PYI—1502 稳压电源,自研制声表面波延迟线,自研制振荡电路盒,微机,串口连接线等组成。系统构成如下:由12V稳压电源供电,声表面波(SAW)延迟线(Delay Line)和相移网络连接混频后输出差频信号,频率计接收信号并通过LCD实时显示数值。频率计和微机之间使用串口通信。频率计自带DOS软件采集数据到微机硬盘上。
软件部分需要实现声表面波振荡器输出频率数据的采集、传输、保存、画图等功能。现成的系统控制很繁琐,采集数据前先要在DOS界面下进入串口通信软件对应路径,打开控制文件,定义数据存储文件名、频率计采样周期、采样间隔,在DOS界面输入控制命令开始采集频率数据。采集结束后,还要打开对应路径文本(txt)文件,把数据拷贝到EXCEL文件中,去掉e+3Hz等数量级信息,画图,手动添加横纵坐标轴,文件名等信息。
本文中,运用MATLAB图形化界面编程工具,编写了控制系统数据发生、采集及后期数据处理的软件,极大地方便了系统的控制及后期数据处理。并以此为例说明MATLAB中GUI的使用。
3MATLAB图形化编程工具简介
MATLAB是一个为科学和工程计算而专门设计的高级交互式软件包。MATLAB环境集成了图示与精确的数值计算,是一个可以完成各种计算和数据处理可视化的、易于使用和理解的工具。在该软件环境中,问题和问题的解答都以人们熟悉的数学形式表示出来,其典型应用包括:
数学和计算; 算法开发; 建模和仿真; 数值分析,检测和可视化; 应用程序开发(包括图形用户界面,Graphic User Interface)[4]。 本文中主要针对最后一个方向结合具体项目应用进行说明。
MATLAB的二维和三维图工具是面向对象的,这使得进行高质量的图形和图像创作成为可能。GUIDE,作为MATLAB图形用户界面开发环境,不仅可以通过版面布置编辑GUI控件,如按钮,面板,输入框,滑条,菜单等,而且同时自动生成控制这些控件的m文件。m文件里包含初始化GUI,以及所有GUI控件的回调函数-即在用户点击控件时执行的函数命令[5]。
通过MATLAB7.0 GUIDE编写软件实现的功能:
①在MATLAB中编译数据采集控制,采集间隔时间控制,采集周期控制,采集数据文件名修改等;②在MATLAB中一键调出DOS命令,开始数据采集;③采集过程结束后,一键画出图形,并附上时间-频率坐标,文件名;④最大化打印。
与先前的方法相比,利用MATLAB的方法所有工作集中在程序中完成,无需切换到DOS环境,同时省去了数据导入EXCEL画图,手动添加坐标信息等麻烦。
4MATLAB软件控制实例
使用GUIDE编程时,在生成新的figure文件的同时会产生对应的m文件,这两个文件时互相关联的,figure包含程序最终界面上所有控件的属性设置,m负责figure初始化以及各个控件响应鼠标点击的回调函数(Callback Function)。本例中利用MATLAB GUIDE中带有菜单和坐标轴的模板,根据需要,保留了axes控件和menu控件,并在menu已有的三个控件(Open,Print,Close)基础上添加两个新的下拉菜单(EditTxt,StartCollecting)。在GUI 版面布置编辑器(Layout Editor)中通过Object Browser查看当前所有控件,并对每个控件的属性通过Property Inspector进行修改,Object Browser和Property Inspecter如图2所示。
每个控件都有自己独立的标签(Label),初始化的名字为控件名加数字,比如uimenu1,最好将其命名为和它实现功能相关、方便记忆的名字。本软件中整个图形(figure)和坐标轴(axes)的属性修改比较重要。具体设置如下:实现最大化打印的功能,图形最大化,将对应的Property Inspector里面Resize设为on,考虑到打印机的尺寸,PaperType设为A4,PaperOrientation设为Landscape,这样整个图形位于纸张的中央,边缘留出0.25英寸的距离。坐标轴属性的设置,主要是有四个注意点:XY坐标的字体大小(FontSize),设为16.0;图形中出现网格,属性XGrid和YGrid设为on,XY轴的比例尺(XScale,YScale)均设为linear,XY轴坐标的位置(XAxisLocation,YAxisLocation)都取默认的bottom和left。在Property Inspector设置完毕后保存figure文件,MATLAB自动跳出m文件[6]。
此时m文件已经自动生成初始化命令行,我们需要编写各个控件具体的回调函数(Callback Function),实现需要的功能即可。M文件编写如下:
在EditTxt菜单的回调函数中,需要打开txt文档编辑数据存储的文件名。在对应的位置键入:
cd(‘directory’); %路径改到文档所在目录
open texttitle.txt; %打开在editor里面以m文件格式打开txt文档
在StartCollecting菜单回调函数中,需要在MATLAB中调用DOS程序,键入:
cd('directory'); %路径改到文档所在目录
dos('arc-talk 1 9600 texttitle.txt&');%MATLAB后台调用DOS命令,波特率9600,
%串口号为1其中&符号可以将DOS
%窗口调出到前台,方便监测。
最后一步是uimenu打开文件open的回调函数编写。实现的功能是打开需要载入画图的数据txt文件,选中后,数据载入,显示在时间—频率坐标轴。
file = uigetfile('*.txt'); %选择文件
if ～isequal(file, 0)
M=load(file); %将txt文件数据点矩阵载入到M中
N=ones(size(M),1); %实现横坐标时间轴的压缩,
for i=1:size(M) %数据每个点是每10秒采集的,横坐标压缩到六分之一,
N(i)=i/6; %为1分钟,方便观察图线特性。
end
plot(N,M);%画图
grid;%图形上画小方格
title(sprintf('%s - %s', 'Frequency Shift Graph', file)); %显示标题,及txt数据文件名
xlabel('Time(Minute)','VerticalAlignment','Baseline'); %横坐标属性设置
ylabel('Frequency Shift(Hz)');%纵坐标属性设置
效果如图3所示:
5结束语
通过使用MATLAB7.0 GUI编程,简化了原先繁复的操作,达到了软件菜单简单控制系统的目的。本文设计的软件在实际应用中能稳定可靠的工作。考虑到进一步加强功能,可以尝试将软件编译成独立于MATLAB之外的单独应用程序,这样在没有安装MATLAB的机器也可以使用。
参考文献
[1] A.Venerna.E.Nieuwkoop and M.J.Vellekoop Design Aspects of SAW Gas Sensors,sensors and actuators,1986(10),47~64
[2] R.D.S.Ballantine,R.M.White,S.J.Matin,A.J.Kicoo,Acoustic wave sensors,San Diego:academic 1997.
[3]王文.声表面波气体传感器关键技术研究.中国科学院研究生院博士学位论文,2005.
[4] Eva Prt-Enander Anders Sjberg著,王艳清,孙锋,朱群雄,等译.MATLAB5手册.北京:机械工业出版社,2000.
[5]刘志俭等编著.MATLAB应用程序接口用户指南.北京:科学出版社,2000.
[6] MATLAB 7.0(R14)Help,The MathWorks,Inc.
激光探测表面波信息 篇2
一、实验装置
一圆柱形重锤从一定高度落到光学平台上使台面产生振动。样品池中盛满蒸馏水。台面振动会引起液体表面产生表面波。He-Ne激光器发射的激光束以1.47rad的入射角射到样品池中液面的中心位置处。激光经液体表面波调制后的反射图样呈现在观察屏上。观察屏距离入射光点8.6m。用Pike F-421B型CCD采集图样, CCD每隔0.0625s采集一次图样并将采集到的图样自动储存到计算机。
二、理论分析
如图1所示。液体表面波波函数近似为Y=Acos (wt-tx) (1)
A为表面波振幅, 波矢量k=2л/Λ, Λ为表面波波长。波长为λ的激光束射到液体表面波上, 根据干涉条件:
Λ[sinθ-sin (θ-ψ) ]=jλ (j为整数) 时产生干涉极大值。
相邻光斑的间隔相对于入射点的张角△ψ近似为△ψ=d/L, L是观察屏与入射光点之间的距离, d是相邻光斑的间隔, 则Λ=Lλ/ (dcosθ) , 将 (1) 式两边对x求导得, 有, 是干涉图样的宽度,
图1表面波的光干涉
图2表面波的上升图样
三、实验及结论
实验时, 在光学平台上方释放重锤, 重锤撞击台面引起样品池中的液体表面产生波动, 。用CCD连续拍摄入射激光被波面调制后的反射图样。在单次实验拍摄到的图样中, 每隔0.125s选取一张图样, 如图3所示。由式 (2) 可知, 图样的宽度与表面波的振幅有关, 光斑级数越多, 说明表面波的振幅越大。图2可以看出, 与图样相对应的液体表面波的振幅随时间变大。
利用MATLAB软件分别对图3中各个图样进行扫描, 根据扫描数据, 计算出对应的液体表面波的振幅值, 分别为0μm、1.3μm、2.5μm、3.7μm、5.8μm、8.0μm、10.8μm。对实验数据用最小二乘法进行拟合, 根据拟合曲线可知, 液体表面波的振幅随时间呈指数规律增大, 并计算得到蒸馏水表面波的上升系数为27μm/s。
参考文献
[1]BARTER J D.Surface strain modulation of insoluble surface film properties[J].Phys Fluids, 1994, 6 (8) :2606~2612
[2]WEISBUCH G, GARBAY F.Light scattering by surface tension waves[J].American Journal of Physics, 1979, 47 (4) :355~356
[3]KLIPSTEIN W M, RADNICH J S, LAMOREAUX S K.Thermally excited liquid surface waves and their study through the quasielastic scattering of light[J].American Journal of Physics, 1996, 64:758-765
浅谈瞬态面波地震勘探方法及应用 篇3
面波勘探,也称弹性波频率测深,是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波(R波)和拉夫波(L波),而R波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低,容易识别也易于测量,所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。
人们根据激振震源的不同,又把面波勘探分为稳态法、瞬态法、无源法。它们的测试原理是相同的,只是产生面波的震源不同罢了。
1938年德国土力学协会首次尝试用稳态振动来检测岩土的各种弹性力学参数。1960年美国密西西比陆军工程队水陆试验所开始开发类似的技术方法,但由于当时技术条件的限制,均未获得成功。70年代初美国F·K·Chang等人利用瞬态激振产生的瑞利波来研究浅部地质的问题,并于1973年在第42届国际地球物理勘探年会上发表了名为“RayleighWaveDispersionTechniqueforRapidSubsurfaceExploration”(瞬态面波在浅层勘探中的应用)论文,报道了有关的研究成果。在稳态方面,直到80年代初,日本的VIC株式会社经过多年的研究试制,推出了GR-810佐藤式全自动地下勘探机,才使该项物探技术在浅层工程勘察工作中得以应用。通过几年的实践和初步研究,R波在岩土工程勘察中的应用大致分为以下几个方面:a)查明工程区地下介质速度结构并进行地层划分;b)对岩土体的物理力学参数进行原位测试;c)工业与民用建筑的地基基础勘察;d)地下管道及埋藏物的探测;e)地下空洞、岩溶、古墓及废弃矿井的埋深、范围等探测;f)软土地基加固处理效果评价及饱和砂土层的液化判别;g)公路、机场跑道质量的无损检测;h)江河、水库大坝(堤)中软弱夹层的探测和加固效果评价等;i)场地土类别划分及滑坡调查等;j)断层及其它构造带的测定与追踪等。
1 勘探原理
面波是一种特殊的地震波,它与地震勘探中常用的纵波(P波)和横波(S波)不同,它是一种地滚波。弹性波理论分析表明,在层状介质中,拉夫波是由SH波与P波干涉而形成,而瑞利波是由SV波与P波干涉而形成,且R波的能量主要集中在介质自由表面附近,其能量的衰减与r-1/2成正比,因此比体波(P、S波,r-1)的衰减要慢得多。在传播过程中,介质的质点运动轨迹呈现一椭圆极化,长轴垂直于地面,旋转方向为逆时针方向,传播时以波前面约为一个高度为λR(R波长)的圆柱体向外扩散。
在各向均匀半无限空间弹性介质表面上,当一个圆形基础上下运动时,由它产生的弹性波入射能量的分配率已由Miller(1955年)计算出来,即P波占7%、S波占26%、R波占67%,亦就是说,R波的能量占全部激振能量的2/3,因此利用R波作为勘探方法,其信噪比会大大提高。
综合分析表明R波具有如下特点:a)在地震波形记录中振幅和波组周期最大,频率最小,能量最强;b)在不均匀介质中R波相速度(VR)具有频散特性,此点是面波勘探的理论基础;c)由P波初至到R波初至之间的1/3处为S波组初至,且VR与VS具有很好的相关性,其相关式为:VR=VS·(0.87+1.12μ)/(1+μ),式中:μ为泊松比,此关系奠定了R波在测定岩土体物理力学参数中的应用;d)R波在多道接受中具有很好的直线性,即一致的波震同相轴;e)质点运动轨迹为逆转椭圆,且在垂直平面内运动;f)R波是沿地表传播的,且其能量主要集中在距地表一个波长(λR)尺度范围内[1]。
依据上述特性,通过测定不同频率的面波速度VR,即可了解地下地质构造的有关性质并计算相应地层的动力学特征参数,达到岩土工程勘察之目的。
2 野外工作方法
应用瞬态法进行现场测试时一般采用多道检波器接收,以利于面波的对比和分析。当锤子或落重在地表产生一瞬态激振力时,就可以产生一个宽频带的R波,这些不同频率的R波相互迭加,以脉冲信号的形式向外传播。当多道低频检波器接收到脉冲形振动信号后,经数据采集,频谱分析后,把各个频率的R波分离出来,并求得相应的VR值,进而绘制面波频散曲线。
当选取两道检波数据进行反演处理时,应使两检波器接收到的信号具有足够的相位差,其间距△x应满足(λR/3)~λR,即在一个波长内采样点数要小于在间距△x内的采样点数的3倍,而大于在间距△x内的采样点数的1倍,该采集滤波原则对于不同的勘探深度及仪器分辨率和场地地层特性可作适当调整。
当采用多道检波数据进行反演处理时,虽然不受道间距公式的约束,但野外数据采集时也应考虑勘探深度和场地条件的影响。一般来说,当探测较浅部的地层介质特性时,易采用小的△x值并用小锤作震源以产生较强的高频信号,即可获得较好的结果;当探测较深部的地层介质特性时,易采用较大的△x值,并用重锤冲击地面,以产生较低频率的信号,使其能反映地下更深处的介质信息,达到岩土工程勘察之目的。
震源点的偏移距从理论上讲越大越好,且易采用两端对称激发,有利于R波的对比、分辨和识别,但偏移距增大就要求震源能量加大和仪器性能的改善。一般来说,偏移距应根据试验结果选取。就目前的仪器设备条件和反演技术水平,选用偏移距20 m~40 m即可获得较好的测试结果。
由多道检波数据反演处理后可得一条频散曲线,一般把它作为接收段中点的解释结果。实际上该曲线所反映的地层特性为接收段内地层性质的平均结果,故当探测场地地下介质水平方向变化较大时,只要能满足勘探深度的要求,尽量使反演所用的接收段减小,以使解释结果更具客观实际。
3 工程应用
为探测覆盖层厚度并进行地层划分,采用瞬态面波进行勘探。实测使用美国R24工程地震仪和4Hz低频检波器。室内数据处理使用SFKSWS软件,其流程为:输入面波记录文件→显示和检查实测曲线数据→圈定面波数据窗口→在F—K域搜索确定基阶面波频谱峰脊并拾取频散数据→按搜索确定的基阶面波频谱峰脊圈定出基阶面波频谱范围→生成面波频散曲线→地质分层(人工或自动)→绘制反演拟合曲线→打印输出结果[2]。
R波在非均匀介质中传播具有频散特性,所以不同频率(波长)的R波具有不同的传播速度。模型试验和实测结果表明,当探测的岩土层介质较为均一时,R波的相速度随深度的加大而按线性增加,只有出现不同介质的分界面时,频散曲线会出现一个所谓“Z”字型变化,该变化特征是由于地表接收到的波从上一层漏能型波转入下一层漏能型面波,且此转折点与两介质间的界面埋深有密切的关系,由此可依据实测频散曲线的“Z”字型变化点来划分地下岩性变化的分界面。
4 存在问题
虽然面波探测技术在工程中的应用已很广泛,但实际工作中还存在以下问题:
a)关于实测面波频散曲线的“Z”字型现象,从理论模型的解析中还不能精确地解释此现象。因为理论的频散曲线,在介质分界面处只出现折点,对此还需深入研究和数值模拟计算;
b)对于面波勘探深度的确定,目前国内外大多采用半波长作为R波的勘探深度,此关系是一经验公式,但在实际工作中,应根据场地地质条件、探测对象以及孔旁测试对比结果等作适当调整;
c)测试深度相对较浅,一般情况下可靠的测量深度为20 m~30 m,最深不过50 m~60 m。当测试深度加大的时候,震源信号就必须具有足够的低频信号,目前尚难满足此要求。由于低频时的R波值很少,使得下部频散曲线的点相对稀少,所以对解释精度影响较大。就该问题笔者建议由原来的算术坐标系改为波长为对数的单对数坐标系,可]使低频段频散点稀少问题得以改观[3];
d)根据不同的勘测目的和要求,对产生R波的震源需作必要的改进和研究,以适应勘察的需要。如用锤子作震源时其低频值为10 Hz~20 Hz左右,而用砂袋作震源时低频值为3 Hz~10 Hz左右。
5 结语
面波勘探作为一种新的浅层地球物理勘探方法,具有简便、快速、经济、分辨率高、适用场地小、应用范围广等优点,但对面波勘探理论的研究以及实际应用等有待进一步的深入和开拓,使之在生产实践中不断总结、完善和提高。
参考文献
[1]袁明德.工程地震勘探技术的进展[J].地球物理学进展,2004(04):43-44.
[2]肖柏勋,李长征.瑞雷面波勘探技术研究述评[J].工程地球物理学报,2004(01):119-121.
声表面波RFID接收机的设计 篇4
1 SAW RFID的组成及原理
SAW RFID系统的组成如图1所示,主要包含有标签、读卡器(发射机和接收机)、PC机三大部分。其中声表面波标签是无源标签,由SAW天线、叉指换能器(IDT)、压电基片、反射栅等组成。
SAW RFID系统的工作原理:发射机通过天线发射一个射频查询脉冲信号,在查询范围内的标签经SAW天线接收查询信号,传送到与天线相连的叉指换能器,把电磁波转换成声波在标签基体表面上传播。在声波传播的过程中,遇到一系列紧密排列编码的反射栅后,部分能量得以反射回叉指换能器。该能量再通过基体逆压电效应转变成电磁波,并由SAW天线发射回来。这一系列编码的射频回波信号,由接收机接收并进行信号处理后即可辨识出不同编码的目标,同时还可以把相关数据通过网络或者串口传到PC机上。由其工作原理可知,射频接收机处于回波信号处理的最前端,其性能直接限制后续电路性能的发挥,进而影响到整个系统的性能[2]。
2 接收机的设计
本文设计的SAW RFID系统其工作频率为915 MHz,超高频SAW RFID阅读器包括发射机和接收机两大部分。发射机的工作主要是发射查询脉冲,采用的是一个集成射频芯片,故在本文中不详述,而主要介绍接收机的设计。接收机常用的技术有零中频和超外差两种。零中频接收机虽然电路简单,但是在零中频电路中本振和射频信号有相同的频率,当来自振荡器的泄漏与本地振荡器的信号相混频时,射频信号直接下变频成基带信号,会使混频器的输出产生严重的直流偏差(即直流电平失调)。严重的直流电平失调会破坏信号,甚至会使其后续级电路处于饱和状态,从而影响到后端的信息提取[3]。无源超高频RFID采用无向散射技术,但SAW天线返回的电磁波已经很微弱了,所以本设计采用如图2所示的灵敏度高、增益大、信噪比和选择性都好且适应性广的超外差接收机。
3 接收机的硬件设计
接收机的硬件部分可以分为射频部分和数字中频部分。其中射频部分主要有带通滤波器(BPF)、低噪声放大器(LNA)、频率综合器(PLL)及混频器(Mixer)。
3.1 射频部分的设计
3.1.1 带通滤波器和低噪声放大器
从天线接收到的是915 MHz的射频信号,本设计中带通滤波器选择的是输出功率大、插入损耗低的高品质芯片CSBP-A940+;低噪声放大器选用的是低噪声、高增益、动态范围广的ADL5523芯片。这两个芯片的外围电路简单,易调试。
3.1.2 频率综合器
本设计中选择了ADI公司的ADF4360-7作为频率综合器的主芯片。该芯片是ADF4360系列PLL(锁相环)芯片中的一款,在芯片内部集成了VCO(压控振荡器)[4],具有350 MHz~1 800 MHz超宽的输出频率范围,其输出中心频率F0与L1、L2管脚外接电感值有关,VCO输出端提供二分频,其二分频后的输出射频信号频率为175 MHz~900 MHz。芯片内部所有寄存器的配置采用一个简单的3线(SCLK、CSn、DATA)串行接口,由DSP的SPI控制,其芯片工作电压为3.0 V~3.6 V。当外部电感值为2.2 n H时,第4、5引脚输出两路本振信号(如图3所示,fLO=1 103 MHz)用来提供给混频器。
3.1.3 混频器[5]
本设计采用ADL5367混频器,它输入的射频信号fRF范围为500 MHz~1 700 MHz,输出的中频信号fIF范围为30MHz~450 MHz。ADL5367单通道无源混频器可提供7 d B的最低变频损耗,同时提供业界领先的31 d Bm输入的IP3和7.1 d B低噪声系数。其中芯片的本振信号由外部频率综合器提供。该混频器输出中频fIF=(N×fRF)-(M×fLO)。其中,N的取值范围是0~15,M的取值范围是0~14。
3.2 中频部分的设计[6]
中频部分由时钟源、中频差分放大、ADC采样(AD9245)、数字下变频(HSP50214B)以及DSP组成,如图4所示。
时钟源由晶振电路提供,为了得到高质量、低噪声的时钟信号,需要增加一个低压差分芯片来提供两路差分时钟信号给ADC采样。本设计中选择的中频放大器是ADI公司高性能、高速的AD8138,它具有较宽的模拟带宽(320 MHz,-3 d B,增益为1)。由于混频器输出的微弱中频信号要先经过中频差分放大得到I、Q两路信号提供给ADC,因此,ADC转换芯片选用的是一种具有14bit精度、最高采样率为80 MS/s、200 MHz输入带宽的AD9245,其音无杂散动态范围(SFDR)达到86 d B,典型的SNR为73 d B,功率耗散为550 m W,输出14路并行的数字信号。考虑到噪声问题,不能直接将并行信号送到数据总线。因为总线上负载较大,会产生过冲和高频噪声,并耦合到模拟输入端产生与输出码关联的干扰,从而产生多次谐波,因此,并行信号需要在ADC与数字下变频间添加一个锁存器进行锁定。锁存器选用满足高速度、低电压要求的芯片74VHC541,并且在锁存器的每个输入、输出端放置22Ω的电阻限流。为了AD9245与HSP50214B能同步工作,使HSP50214B的输入时钟CLKIN和AD9245的时钟频率保持一致,需加一个反相器74LVC04进行整形和驱动。数字下变频HSP50214B的输出时钟PROCLK由DSP提供。HSP50214B输出方式有串行和并行两种,由于HSP50214B并行输出32路I、Q信号,而考虑到DSP的处理速度和有限的接口,所以HSP50214B采用串行数据传输模式,DSP的GPIO口用来设置HSP50214B的工作模式和初始化。此外,因AD9245芯片数字输出端工作电压为3.3 V、HSP50214B的工作电压为5 V和TMS320DM6437的工作电压为3.3 V,所以在芯片之间必须增加电平转换芯片。这样,在中频平台上通过解调就可以得到SAW标签上的信息(ID信息和温度信息)、通过算法利用回波的频偏、相位以及幅度等信息得出物体的温度值。
4 镜像干扰及抑制方法
4.1 镜像干扰[7]
镜像频率干扰是超外差接收机特有的现象,在镜像频率上有一个干扰信号fM,在RF信号输入混频器时,镜像信号也跟着输入到混频器,并分别与LO信号混频输出一个频率相同的中频信号。由RF信号获得的中频信号是本设计所需要的有用信号,而由镜像信号获得的中频信号称为镜像干扰信号,系统很难分辨,且会对有用信号造成很大影响。设信号频率为fRF,振荡频率为fLO,则有用中频fIF=(N×fRF)-(M×fLO),镜像中频fId=(N×fm)-(M×fLO),其中N、M均为正整数。在比fRF高出2个中频处就有一个频率fm,它像是以fLO为镜子、站在fRF处看到的镜像,所以称fm为像频。镜像干扰如图5所示。
如图5(a)所示,射频信号和镜像干扰信号同时经过混频器,射频信号与LO信号混频后产生有用中频信号fIF、镜像干扰信号与LO信号混频后产生镜像中频信号fId,如图5(b)所示,当fLO
4.2 镜像干扰抑制方法
镜像干扰的抑制方法是尽量避免镜像干扰进入混频器,在混频器的RF输入端加一个如图6所示的高Q值的窄带LC带通滤波器,并在中频输出端再加一个窄带LC带通滤波器,即可有效滤除中频镜像干扰,以保证输出能得到有用的中频信号。为了防止混频器中的信号回流到大功率的频率综合器,影响其正常工作,需要在混频器和中频输出端之间增加一个隔离放大器。计算公式为:
其中,C单位为F,L单位为H;f1、f2为上下截止频率,fm为频带中心频率(单位为Hz);Zo为输出阻抗。根据计算公式设计一个带宽为20 MHz的窄带LC带通滤波器,中心频率为915 MHz,带内衰减控制在10 d B以内,阻带截至频率的衰减达到40 d B以上,输出阻抗为50Ω。用ADS软件仿真该滤波器的幅频响应如图7所示。图7(a)是指各频率点的衰减,其中m1衰减最小。图7(b)是各个频率点的幅度值,其中m3指在915 MHz处幅度值最大[8]。
基于SAW无源标签和RFID读卡器为无向散射的工作方式,提出一种超外差接收机设计方案,该设计可以应用于金属物体、高温、强电磁干扰等恶劣环境中。本文对SAW RFID接收机的电路进行分析和设计,在芯片选型上做了充分的论证,并讨论了镜像干扰以及镜像干扰抑制方法,通过ADS仿真软件证实了该方法的有效性。
摘要：设计了一款基于超外差技术的声表面波SAW RFID读卡器,其工作频率在915 MHz。该读卡器不仅可以在金属物体、高温、强磁场干扰等恶劣环境中正常工作,而且在不增加任何传感器的情况下可以反映出物体的温度值。详细阐述了整个接收机的设计方案,给出了硬件模块的电路设计,并对镜像干扰及其抑制方法进行了研究。
关键词：声表面波,RFID,超外差技术,915MHz,镜像干扰
参考文献
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面波测试 篇5
地震勘探是石油和煤田勘探中,利用人工激发的地震波,探测地下地质构造,探明煤炭、石油、天然气等的分布和储量的一种手段。
在地震勘探中,面波是一种很强的规则干扰波,在地震记录上通常呈现频散特征,视速度较低;在炮集上呈线性分布,能量强、频率低、振动延续时间长,对中、深层的有效反射影响严重,使地震资料的信噪比降低。根据面波的特性,传统消除面波的方法主要是利用面波与反射波的频带差异及视速度差异,如一维滤波、f-k滤波、τ-p变换等方法。每一种方法都起到了一定效果,但单从时间域或单从频率域区分或识别干扰是很局限的。
时频域压制面波首先从它的识别开始,在时间-频率域对地震数据进行分析,有效信号和干扰的能量以及频率随时间的变化规律可以清晰地反映出来,从而使处理人员更全面地认识数据的特征。因此,本文将时频域分析方法用于地震数据的分析,可以快速有效地综合出数据的全部特征。从地震数据处理的应用需要出发,在比较几种时频分析方法后,选择了时频分辨率可调的广义S变换,能够比较准确的刻画地震信号局部特征。
1 广义S变换原理
为了解决短时傅立叶变换只能以一种分辨率进行时频分析及其小波变换不能直接与频率对应的缺陷,1996年美国地球物理学家Stocwkell在前人的基础上提出了S变换[1],它综合了短时傅立叶变换和小波变换的优点并且避免了它们的不足:频率的倒数决定了S变换中的高斯窗的尺度大小,具有了小波变换的多分辨优点,而且S变换含有相位因子,保留了每个频率的绝对相位特征,这是小波变换所不具有的特性,由于S变换的逆变换是傅立叶变换,因此像傅立叶变换一样,具有无损可逆性。
利用S变换高斯窗与频率成反比变化的思想,广义S变换对S变换的高斯窗函数进行改造。通过引入两个参数λ和p,从而根据实际应用中非平稳信号的频率分布特点和时频分析的侧重点,改变高斯窗函数随频率的变化规律,进一步加快或减慢时窗宽度随信号频率变化的速度,更好地适应具体信号的分析和解释。广义S变换(GST)的表达式为
其中λ>0,p∈(1/2,3/2)。这种广义S变换的算法与标准S变换相似,不增加额外计算量,其反变换也与标准反变换完全相同。当λ=1,p=1时,上式即为标准的S变换,因此S变换是广义S变换的特例。
窗函数的时宽随频率尺度f成反比变化,幅值则随之成正比变化。低频段的时窗较宽,幅值较低,可以获得较高的频率分辨率;而高频段的时窗较窄,幅值较高,故可获得很高的时间分辨率。图1展示了参数λ和p在不同取值条件下,广义S变换的时窗函数随着频率尺度变化的规律。参数λ和p都具有改变时窗函数宽度和幅值的作用,但改变的程度不同。比较图1可以发现,p固定,当λ>1时,时窗宽度随频率呈反比变化的速度加快;当λ<1时则减慢。p与λ作用趋势相同,但p对时窗的影响成指数关系。因此,可以根据实际应用的需要,合理地选择λ和p调节广义变换的时频分辨率,克服了S变换中时窗函数的变化趋势固定不变的问题,使广义S变换具有更高的实用性和灵活性。
广义S变换的成功应用是地震反射界面检测[2,3]和叠前地震资料衰减滤波[4]。
2 去除面波的广义S变换方法
广义S变换的时频分布具有良好的时频聚集性能,对非平稳信号中不同信号分量有较强的区分能力。为了提取信号中某一时间段和频段的特定信号分量,先对原信号作广义S变换,获得该信号的时频分布;再根据特定信号分量在时频平面中的位置(即时频通域)设计时频滤波器。
3 实际资料应用
图2为山西某地区的共炮点道集(仅显示其中的部分道和时间段)地震记录。资料采样率为0.5 ms,道长1 s,选取道数为26道,面波发育较明显。图3为第3道信号,观察其频谱可知主要频率段为20～80 Hz,存在低频成分。从图4第3道信号的广义S变换谱图上,可以清楚地看出该道信号的频率分布,300 ms后记录存在面波成分,与图3相对应,频率约20～28 Hz,由此确定压制区域.图5为压制后的第3道信号,低频面波被很好的压制。图6为压制后时频区域图,可以看到,不存在面波成分,而有效波成分得到保留。
根据广义S变换压制面波的流程,得到压制面波后的炮集记录如图7所示。可以看出,有效反射波的同向轴的连续性加强,信噪比提高。
上面实际资料的处理分析说明,广义S变换在时频域进行压制面波方法可以达到分频分时准确衰减面波的目的,并有很好的效果。
4 结语
广义S变换不但显示了多分辨率的特点,还能将时间-频率的关系直观地在时频图上表现出来,让处理人员更好的对信号进行处理操作。时频域进行面波压制的关键在于不是仅仅在频率域滤波,而是把信号从时间域转换到时间-频率的二维平面上,通过时间和频率双重约束来设计滤波器,达到压制干扰的目的。将其应用地震勘探的数据处理中,面波压制效果良好。
参考文献
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面波测试 篇6
关键词：岩溶区域,面波勘探,地震映像
随着工程勘察日益增多, 灰岩地区的岩溶不良地质体的探测问题成为勘探中较为棘手的问题。为了避免盲目布置勘探钻孔, 物探勘探手段越来越被重视。目前在浅部岩溶勘探中使用的物探一般以电法为主, 但随着工业发展, 地电干扰越来越严重, 在很多测区电法无法施工, 因此地震勘探在岩溶勘探中也逐渐被使用, 目前在岩溶勘探中地震勘探主要以地震映像和面波为主。
1 勘探原理
1. 1 面波勘探原理
瑞雷面波与地震勘探中常用的纵波和横波不同 ( 它们都是体波) , 面波是一种地滚波。且瑞雷面波的能量主要集中在介质自由表面附近 ( 即地表附近) 。瑞雷面波在传播过程中, 介质的质点运动轨迹呈现一椭圆极化, 长轴垂直于地面, 旋转方向为逆时针方向, 传播时以波前面约一个高度为 λR ( R为波长) 的圆柱体向外扩散。面波的波动方程如下:
其中, σ 为泊松比。
因此通过求解可以得到VR2= 0. 912 75VS2。
1. 2 地震映像勘探原理
地震映像 ( 又称高密度地震勘探和地震多波勘探) , 是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的。这种方法可以利用多种地震波作为有效波来进行探测, 也可以根据探测目的要求仅采用一种特定的地震波作为有效波。地震映像法的主要特点有: 数据采集速度较快, 但抗干扰能力弱, 勘探深度有限; 地震映像法在资料处理过程中不需要进行校正处理, 节省了资料处理时间, 避开了动校正对浅层反射波的拉伸、畸变影响, 可以使反射波的动力学特征全部被保留, 地震记录的分辨率不会受影响; 地震映像法在资料解释中可以利用多种地震波的信息。
2 岩溶异常的地球物理特征
对于岩溶的推断, 物探通常是根据正常灰岩和岩溶区域的不同地球物探特征来推断异常发育区。
2. 1 岩溶异常的面波特征
正常灰岩地区, 面波原始波形同向轴连续, 振幅无明显畸变。面波波速一般可达2 000 m/s ~ 3 000 m/s。面波频散曲线较平滑, 无明显拐点。图1 为正常灰岩地区和岩溶发育区的不同面波波形图。
2. 2 岩溶异常的地震映像特征
正常灰岩地区, 地震映像波形同向连续, 振幅较为一致, 视周期较小。岩溶发育区同向轴不连续, 振幅变化较大, 视周期一般变大。图2 为地震映像岩溶异常图。
3 应用实例
测区为某隧道内, 勘探区内无覆盖层分布, 仅有1 m ~ 2 m厚的级配碎石层, 其下为基岩, 基岩为可溶性灰岩, 局部灰岩发育。本次物探目的主要是了解地下20 m范围内岩溶发育情况。
工作布置。本次物探野外采用面波和地震映像两种方法同时施工, 相互验证。面波采用锤击震源, 24 道接收, 道间距1 m。地震映像采用多种偏移距进行组合接收, 采集点距为1 m。
面波的岩溶勘察主要通过原始波形形态和频散曲线形态以及反演面波波速来判定。对于浅部岩溶, 面波波形容易产生畸变。如图3 所示面波波形在8 m ~ 14 m之间有明显的畸变, 视周期有变长的迹象。拾取的频散曲线在深度5 m和7 m附近有明显“之”形拐点, 为岩溶异常特征。由于面波野外测线装置有一定的长度, 因此仅通过频散曲线或者反演分层图不能准确定位岩溶平面位置, 必须同时分析原始波形确定岩溶平面位置。图4 是该工地地震映像采集成果图, 从图上可以看到在31 075 ~ 31 253 段同向轴明显滞后, 且视周期明显变大。通过频谱分析亦能发现该段主频明显变低。物探推断为岩溶发育区, 岩溶类型为浅部开口型岩溶发育。后经钻探验证该段岩溶强烈发育, 为开口型岩溶发育, 溶洞充填, 充填物为软塑状粉质粘土。岩溶边界与物探推断基本一致。
4 结语
通过面波或者地震映像均能在岩溶勘探中取得效果。
面波的优势在于能获取岩溶的深度信息, 且对小规模溶洞也有反映, 但面波的处理分析需要较高的人工、丰富的经验, 对岩溶的平面定位有一定的误差。
地震映像对大规模的岩溶发育有较好的反映, 尤其对开口型溶洞反映好, 但对小规模的溶洞反映不太明显, 且在岩溶深度的确定上有一定的难度, 近地表第四系的不均匀性也有可能干扰岩溶异常的反映。
通过面波的岩溶低速特性以及频散曲线的“之”形特性结合地震映像的多波同向轴散射特性, 综合分析可以大幅度提高岩溶异常判断的准确性。
参考文献
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面波测试 篇7
光子晶体是不同介电参数材料的周期复合结构系统,电磁波在其中的传播会被其周期结构调制从而有带隙的出现。类似地,在铁磁材料领域内,不同铁磁材料的周期复合,形成了所谓的磁振子晶体人工微结构复合材料。对磁振子晶体领域的研究是近来的一个热点[1,2,3,4,5]。研究表明,自旋波在恰当的磁振子晶体结构中会形成自旋波带隙结构,频率落在带隙范围内的自旋波不可在磁振子晶体复合材料中传播,具有带隙结构的磁振子晶体材料在微波领域具有重要的应用价值[5,6,7,8]。但是,对磁振子晶体材料的理论研究远比对光子晶体的研究要复杂的多,因为影响自旋波传播的相互作用机制非常复杂。比如决定磁振子晶体主要特性的材料参数有交换相互作用、饱和磁化强度等,而光子晶体只有介电参数一个变量。当然,如同光子晶体中电磁波满足的Maxwell方程一样,自旋波在铁磁材料中满足的Landau-Lifshitz动力学方程也是一个非线性的矢量方程,但是后者存在外磁场磁化的问题。以上诸多因素导致了对磁振子晶体领域的研究要困难得多。在实际理论计算研究中,只有在一定的近似条件下才可进行,常根据周期系统的晶格常数大小,考虑影响自旋波传播的主要磁相互作用机制(分为交换作用、偶极相互作用、静磁相互作用等),简化动力学方程,进一步计算和分析自旋波在其中的传播与局域等性质。
本文设计了一维磁振子晶体薄板系统,采用平面波展开法数值计算了静磁自旋波满足的Walker方程。研究结果表明,一维磁振子晶体薄板系统会有自旋波带隙的出现,具有带隙结构的磁振子晶体本身就是一个良好的带通滤波器。
2 模型与计算方法
一维磁振子晶体系统由Co(cobalt)/Py(Permalloy)两种铁磁材料周期交替排列构成如图1所示的无限大薄板,系统在x方向具有周期性,其晶格常数a=aA+aB,在y方向为无限大,在z方向为有限厚的薄板,其厚度为d。
长波线性近似下,可忽略交换相互作用,静磁自旋波在铁磁材料中的传播可用Walker方程描述为[1]
undefined
其中,磁导率张量
undefined
。这里的undefined是旋磁比(γ>0),H0是外加磁场,Ms为饱和磁化强度矢量。在磁振子晶体中沿着x方向传播的静磁波满足
undefined
将μ代入方程(2)可化为
undefined
对于如图1所示的研究系统,将undefined在倒格矢空间作傅里叶级数展开,并应用布洛赫定理有
undefined
其中,undefined为整数)。把方程(4)和(5)代入(3)式可得到本征方程
undefined
对傅里叶系数ωm(Gx-G′x)计算可得
undefined
f为体积填充率(Co排列在Py基底中),undefined为结构函数[6]。对给定的传播方向undefined, 数值求解本征方程(6)式,即可得到静磁自旋波的色散关系ωn(kx)。
3 结果与讨论
采用上述平面波展开法,数值计算了由Co和Py周期交替排列构成的一维薄板磁振子晶体带结构。由于带结构依赖于波的传播方向,因此在计算中让静磁波在XOZ平面内传播,为此令ky=0。在X方向具有周期性,只需考虑第一布里渊区的波矢即可,undefined。在Z方向薄板具有二个表面,其厚度d=30nm,波函数在表面处为驻波的节点,即undefined。计算中参数的选取如下[3]:Co和Py铁磁材料的饱和磁化强度分别为Ms=1.15×103Gs和Ms=0.658×103Gs。对旋磁比我们假设一个平均值γ=1.946×1071/Oe·S,外磁场H0=0.2×104Oe。平面波法计算的收敛性检验表明,在倒格矢undefined表示中,当N=500,-N≤nx≤N,即取(2N+1)=1001个平面波数即可获得足够好的收敛精度要求。
图2、图3和图4为体积填充率undefined,晶格常数分别为50nm,500nm和50um情况下的磁振子晶体带结构。在如图所示的频率范围内,有5个完全带隙产生,这是因为两种铁磁材料的磁参数相差比较大,在低频范围内偶极作用场对自旋波传播影响是主要的。也即波长大于1μm以上的区间称为偶极区,此时短程的交换作用对自旋波的能量影响很小。比较图2、图3和图4发现,不同晶格常数下磁振子晶体的带结构图形状相同,当静磁波的波长与晶体的晶格常数相比拟时,偶极作用场起主要作用[9],根据布拉格散射实验可知,f=1/a(频率与晶格常数成反比)。计算结果显示,在偶极区范围内,晶格常数越大,晶体中静磁波频率越小,与实验所得公式相吻合。在以上三种晶格常数下计算所得的静磁波频率落在偶极区内,因此可以基于Walker方程求解静磁波的传播特性。对于晶格常数更小的情况下,需考虑交换作用,此时自旋波在铁磁材料中的传播用Landau-Lifshitz动力学方程求解。
具有带隙结构的磁振子晶体复合材料,在自旋波滤波器、共振腔等方面具有重要的应用价值。静磁波在磁性介质中的传播速度要比电磁波低2～4个数量级,因此可以采用集成电路技术实现静磁波器件的小型化。利用静磁波的传播特性可以制作静磁波和磁光波导器件。
4 结论
本文计算了静磁自旋波在一维磁振子晶体薄板的带结构。计算结果表明,在一定的结构及磁参数设计下,周期复合结构有完全带隙的产生,频率落在带隙范围内的自旋波不可通过整个复合结构。具有完全带隙结构的磁振子晶体复合材料在自旋波滤波器、延迟线、共振腔等器件材料的制作中具有重要的应用价值。同时计算结果也表明,在长波线性近似下,即静磁波的波长和晶体的晶格常数近视相等时,影响磁振子晶体带隙结构的主要因数是磁偶极相互作用,交换相互作用可忽略不计。在偶极区范围内,晶格常数越大,晶体中静磁波频率越小。
摘要：在长波极限近似下,铁磁材料复合系统中的磁相互作用可以仅考虑静相互作用,自旋波在其中的传播满足Walker方程。本文采用平面波展开法数值求解了由Cobalt/Permalloy两种铁磁材料周期交替排列构成的一维薄板磁振子晶体的带结构。计算结果表明,磁振子晶体薄板中静磁自旋波会有带隙结构的形成,位于带隙范围内的静磁自旋波被禁止在磁振子晶体复合材料中传播。利用此特性,磁振子晶体薄板材料有望用于微波领域内的传感、滤波以及导波等器件的制作材料。
关键词：磁振子晶体,静磁波,带结构,平面波展开法
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