專利名稱：多通道聲表面窄帶匹配濾波器組的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及測距和測速的光電探測系統(tǒng)中輸出頻率信號處理的電子電路。
目前，以聲表面器件制成的多通道窄帶匹配濾波器組是測距和測速的光電探測系統(tǒng)信號預處理的有效工具之一。例如連續(xù)波調頻體制的CO2相干激光探測系統(tǒng)，探測的目標速度動態(tài)范圍大，輸出的頻率信號變化范圍大。其次，輸出信號的半寬度與激光頻率穩(wěn)定度直接有關。CO2激光器的頻率穩(wěn)定度高，輸出信號的半寬度很窄。因此，輸出信號是在寬譜的噪聲背景上迭加一個較弱的高頻輸出信號尖鋒。
考慮到測距和測速的光電探測系統(tǒng)輸出信號的以上特點，必須有一組窄帶通濾波器，將寬譜信號分割成一組組窄帶的信號通道。另外，還必須降低輸出信號的中心頻率，以便利用高速數據采集系統(tǒng)進行信號預處理和數字化處理。再次，信號處理應當小型化和集總化?！禬ind Engineering》Vol13介紹了英國測風速的CO2相干激光探測系統(tǒng)，便利用了聲表面匹配濾波器組，改善了后置處理電路。但由于通道數少，它只能測低速(0.5～4.5米/秒)目標。不能進一步降低信號中心頻率，以采用高速數據采集系統(tǒng)進行快速傅立葉變換FFT的數字化信息處理，提高頻率測量精度。目前國內尚無專用于測距和測速的光電探測系統(tǒng)的聲表面窄帶匹配濾波器組。
本實用新型采用聲表面器件及相應的匹配網絡，使系統(tǒng)半帶寬減小，信噪比升高。通過多個聲表面器件構成多通道窄帶匹配濾波器組，可擴大總帶寬，從而測量信號的頻率范圍得到提高。
利用由混頻器、中頻放大器、本機振蕩器組成的變頻器和低通窄帶濾波器將所選擇某一通道通過的高頻信號，變?yōu)檩^低中頻信號并保持原來信號的頻譜分量的相對大小和相互間頻率分布的相對位置。因而保持了原來高頻信號中含有的信息，并進行放大，取得較大增益。最后通過一個窄帶低通濾波器進一步濾除雜質信號，得到一個頻譜純凈、信噪比很高的有用頻率信號，再在計算機中通過快速富里葉變換(FFT)提高測頻精度。
為達到上述目的，本實用新型整個系統(tǒng)由光電探測系統(tǒng)、信號的模擬處理系統(tǒng)和數字處理系統(tǒng)等三部分組成。其中信號模擬處理系統(tǒng)中的窄帶匹配濾波器組由多個不同頻率與帶寬的聲表面(SAW)濾波器及其相應的頻率選擇匹配網絡、變頻器和低通濾波器組組成。
以下結合附圖詳細闡述本實用新型的原理和結構，本實用新型頻率選擇通道是由多個不同頻率與帶寬的聲表面(SAW)濾波器所組成的多通道頻率選擇電路構成的，所述的多通道頻率選擇電路的構成為將電感L1i和電容C1i、電感L2i和電容C2i分別各自并聯成電感電容(L1iC1i)和電感電容(L2iC2i)回路，其中角標i＝1，2，3，…，n為自然數，再依角標數由小到大的順序將這些回路串聯，在最后一組回路，即電感電容(L2nC2n)之后，串接一個電阻R，電阻R的另一端接地；在每一對電感電容(L1iC1i)和電感電容(L2iC2i)回路串聯的節(jié)點上，引出兩條線，一條接電容C3i后連接地端，另一條經中心頻率為f0i的聲表面濾波器后接混頻器的輸入端，經過混頻器的頻率信號將降低信號的頻率到中頻，經窄帶低通濾波器進一步抑制雜波，得到頻譜特征不變多普勒信號，再通過模/數(4/D)轉換信號采集器在計算機中進行快速富里葉變換(FFT)進一步提高測頻精度。下面將頻率選擇匹配網絡的基本構造敘述如下電感L11與電容C11、電感L21與電容C21；電感L12與電容C12、電感L22與電容C22，電感L13與電容C13、電感L23與電容C23；…電感L1n與電容C1n、電感L2n與電容C2n分別各自并聯成電感電容(LC)回路后，依上述次序將這些電感電容(LC)回路串聯。在電感L2n和電容C2n組成的電感電容(LC)回路之后串接一個電阻R，電阻R的另一端接地。在電感電容(L11C11)回路和電感電容(L21C21)回路相串聯的節(jié)點上引出二條線一條接電容C31后連地端；另一條經中心頻率為f01的聲表面濾波器件后輸出到相應頻率的混頻器輸入端S1。在電感電容(L12C12)回路和電感電容(L22C22)回路相串聯的節(jié)點上引出兩條線，一條經電容C32連地端，另一條經中心頻率為f02的聲表面濾波器件后輸出到相應頻率的混頻器輸入端S2，在電感L13與電容C13組成的回路和電感L23與電容C23組成的回路相串聯的節(jié)點上引出兩條線，一條接電容C33后連地端，另一條經中心頻率為f03的聲表面濾波器件后輸出到相應頻率的混頻器輸入端S3；依此類推……在電感L1n與電容C1n組成的回路和電感L2n與電容C2n組成的回路相串聯的節(jié)點上引出兩條線，一條接電容C3n后連地端，另一條經中心頻率為f0n的聲表面濾波器件后輸出到相應頻率的變頻器輸入端Sn。上述每相鄰通道的中心頻率之間的頻率差(f01-f02)＝(f02-f03)＝…＝(f0(n-1)-f0n)Δf，視所要求的光電接收系統(tǒng)的信噪比及匹配濾波器的設計及工藝而定。通道數n由光電探測器輸出的信號頻率范圍ΔF及所要求的通道帶寬Δf而決定。當ΔF一定時，每一聲表面匹配濾波器的帶寬Δf越窄，則需要通道數n就愈多，反之當Δf一定時，ΔF越寬，則需要通道數n也愈多。
各通道的輸出端S1、S2、S3…Sn分別與一個n個開關的K1、K2…Kn的輸入端連接。當開關合上時，某一頻率信號，由相應的濾波通道經耦合電容C1進入變頻器的混頻電路。
在混頻器中，電容器CA一端與各通道本地振蕩的公共電容CB一端連接。這一本地振蕩器由n個LC振蕩器組成，每個振蕩器的中心頻率為各通道匹配濾波器帶寬Δf的下限頻率
混頻后經電容CC輸出的頻率均為Δf。
各組振蕩器另一輸出端B共同經開關K6，電感L5及電容C14作為外本振輸入到混頻器經過混頻后的頻率值為|Δf|的信號，經電容CC輸出到窄帶低通濾波器，再由它的輸出端與模/數(A/D)轉換器的輸入連接進入計算機。
不同通道頻率的信號及n組振蕩器的信號均各行其通，混頻放大器及窄帶濾波器是公共用。因為各個頻率信號的到來有時間次序，工作時相當于各通道各自進行混頻和窄帶通濾波。
本實用新型工作過程如下光電探測系統(tǒng)的輸出信號經過中放后輸出，它是具有一定的頻率f0n的信號，同時還含有其他頻率的寬譜的雜波信號。這些信號進入橫向窄帶通濾波器的輸入端后，先由信號頻率所對應的電感電容(L1nC1n)和電感電容(L2nC2n)匹配網絡進行阻抗匹配。而其他不是信號頻率的雜波將受到表減或不響應。該信號再經過相應通道中的聲感面窄帶濾波器，進一步濾除通道外頻的雜波。一定頻率f0n的信號由聲感面窄帶濾波器的εi端(i＝1、2、3、4、…n)輸出后，經電容C4進入到變頻器的混頻器中，同時與來自變頻器中的振蕩器本振信號混頻，產生相應通道帶寬的下限頻率f′0n。兩個頻率信號經混頻和放大后，得到在在通道的頻率帶寬Δf內的中頻差頻信號，再輸入到一個帶寬為Δf的窄帶濾波器，進一步濾除雜波，這一變頻后的信號反映了有用信號的頻譜特征。
最后得到一個雜波信號被抑制的，精確的有用頻率信號。當目標回波中有用的頻率信號處于兩個通道頻率的交叉區(qū)域時，各個通道本地振蕩信號同時以外本振形式輸入到混頻器中，只要處在交叉區(qū)的兩個通道同時響應，便得到在交叉區(qū)的有用頻率信號的精確頻率值。這一信號再通過一個A/D數據采樣口輸入到計算機，完成數據預處理、FFT譜分析及頻譜圖的繪測。
本實用新型具有的積極效果是測距和測速的光電探測系統(tǒng)輸出信號頻率在聲表面濾波器處被分為多個通道例如35～55兆赫可分為4個通道；對30～100兆赫可分為16個通道。各通道的輸出再分別與各通道的最低中心頻率進行混頻，并經低通濾波，輸出信號的頻率限制在一定的中頻頻率范圍內。用高速采樣速率為10兆赫的數據采樣器，分別對各通道采樣，經計算機FFT得到信號帶寬范圍內的整個頻譜頻譜輻值的大小表明信號的有無和大小，從而證實多通道聲感面窄帶匹配濾波器與快速傅里葉變換(FFT)譜分析器的組合系統(tǒng)對信號處理的效果。
由于采用了所述的聲表面器件及相適應的頻率選擇通道，使系統(tǒng)的半帶寬大大減小，且信噪比可大幅上升，達到準匹配。且可通過通道數量的增加使總帶寬擴大，從而提高了測速范圍。一般由要求目標速度采確定信號輸出的頻率范圍，如表1所示。
表1λ＝10.6微米的信號頻率與目標速度的對應關系
以下結合附圖通過具體實施方案詳細說明。


圖1—多通道聲表面(SAW)窄帶匹配濾波器組原理框圖圖2—多通道聲表面(SAW)匹配濾波器組的總體電路圖3—采用了多通道聲表面(SAW)匹配濾波器組的光電探測系統(tǒng)的框圖。
從圖1匹配濾波器組原理框圖中可見，本實用新型的匹配濾波器組由頻率選擇通道1，變頻器2和等組成。變頻器2是由混頻器3、中頻放大器、本機振蕩器及低通窄帶濾波器組成，它的作用是將某一通道選擇通過的高頻信號，變?yōu)檩^低中頻信號，保持原來信號的頻譜分量的相對大小和相互間頻率分布的相對位置。因而保持了原采頻率信號中含有的由低到高的速度信息，再進行放大，取得較大增益。最后通過一個窄帶低通濾波器濾除雜波信號，得到一個頻譜純凈，信噪比很高的有用頻率信號。
圖2是多通道聲表面窄帶來匹配濾波器組的總體電路，其有幾個頻率選擇通道。設每個通道的帶寬為Δf＝f01-f02＝f02-f03＝…＝
則可使用的信號頻率范圍ΔF為ΔF＝nΔf。此外，初始信號頻率f01的數值應根據表1中具體的使用要求的速度范圍，由公式
來決定。
令圖2中參數n＝4，Δf＝5MHz，則得到一個四通道匹配濾波器組。圖3的四通道窄帶匹配濾波器組中f01＝35MHz時，總帶寬為ΔF＝4×5＝20MHz，應用頻率范圍為f01+ΔF，即35～55MHz。
聲表面波濾波器的插入損耗為20分貝。若直接與前放相連，輸出信號將無法探測，因此必須在其前面由寬帶的高增益放大器再次將信號放大。4通道窄帶匹配濾波器的實驗所用中放通帶30～60兆赫，增益大于40分貝。多通道聲表面波窄帶匹配濾波器是本發(fā)明的核心器件，包括n個通道，通頻帶分別為
例如對35～55兆赫分成30～40兆赫；40～45兆赫；45～50兆赫；50～55兆赫等四個通道。也可對30～110兆赫分成16個通道。每個通道制成一個單個元件。各通道單獨測試的頻率響應的通道3分貝帶寬為5兆赫，帶內波動2分貝，帶外抑制約40分貝，插入損耗20～14分貝，輸入和輸出阻抗均為50歐姆。
上述n個單個通道組成一個橫向的帶通濾波器組，每一個通道必須由一匹配電路來實現。該匹配電路可采用K型梯形網絡或M型梯形網絡。目的是達到阻抗匹配和充分利用聲表面器件的性能。本實驗采用M型梯形網絡組合各單個通道。變頻器的目的是將每個通道的頻率都變到0～5兆赫之內。各通道分別設置一個混頻放大器和一個5兆赫的低通濾波器。本振為各通道的最低頻率
如35兆赫、40兆赫、45兆赫、50兆赫。各通道的輸出頻率是信號頻率減混頻器輸入本振頻率的結果。除上述四個本振之外，還設置了一個外本振輸入，目的是當目標信號的頻移處在相鄰兩個通道的交叉區(qū)域時，用它來確定精確的頻率值。
上述各參數中，影響所應用的頻率范圍，由使用要求決定；f0n。為總帶寬的上限值，亦由使用要求定；而Δf則影響系統(tǒng)的信噪比，Δf越小，則信噪比越高。但Δf過小，則結構過于龐雜，總帶寬不利于總帶寬的拓展，所以根據測速范圍及測精度的要求Δf選擇在1～5MHz之間較為適宜。
光電探測系統(tǒng)的框圖如圖3所示。該系統(tǒng)中的激光器為光柵選支連續(xù)波CO2激光器，輸出譜線用PZT晶體可調。當調整輸具有最大功率時，輸出波長λ＝10.6微米，為P20支譜線，輸出最大功率達5瓦，輸出激光為線偏振光。輸出光束經半反半透鏡S1分為兩束。透射光經反射鏡R1、表減片、光闌和半反半透鏡S2，到達光電探測器表面，作為本振光。加入表減片和光欄的目的是減弱本振光強度，以使信號光和本振光的強度比合適，光電探測器具有最高的量子效率。S1的反射光由透鏡L1聚焦在Ge聲光調制器內。當有超聲波在其中傳播時，介質的折射率將受晶體的應變的調制而作周期性變化，這相當于一位相光柵，光通過它時將發(fā)生衍射。衍射光相對于入射光具有頻移fd并可在一定范圍調制的信號光。圖中的信號源和功放是用于激發(fā)超聲波的。它可從探測的目標運動而產生的多普勒頻率和測距信號所對應的頻率所決定。另一束是直接透射光，被遮擋。衍射光經透鏡L2準直，再經反射鏡R2和半反半透鏡Sz到達探測器表面，與本振光在探測器表面相干混頻。光電探測系統(tǒng)的輸出信號由銻鎘汞探測器(MCT)給出MCT探器本身就是混頻器，它只能響應信號光和本振光的差頻信號，輸出信號很弱。前置放大器是一個寬帶的低噪聲放大器，高輸入阻抗、低輸出阻抗(50歐姆)。經前置放大器后輸出的信號大小在20～40分貝毫伏之間。輸出中頻外差信號及各種噪聲。對于變速運動的目標，其頻譜形狀基本相同，但譜線的位置不斷移動。系統(tǒng)只要能夠快速處理各種位置的譜線，就可實現對變速運動目標的頻率的模擬跟蹤處理。這是發(fā)明的核心部分。
本實用新型后端接中頻FFT分析器的輸入端。FFT譜分析器是一個數字處理系統(tǒng)。它包括數字采集板和計算機FFT。數字采集板信號的數字采集是由計算機控制的數字采樣器來完成的。該采樣器包括一個兆赫的模數轉換器(A/D)和8K的緩沖存儲器(RAM)，通過一個并行接口與計算機相連接。在計算機控制下，可分別對每個通道進行采樣。該采樣器是一個瞬時采樣系統(tǒng)，每采集一次，只能得8K的數據，再由計算機對所采數據進行處理。計算機FFT對由采樣器所采數據實施快速傅里葉變換(FFT)，即得到相應通道的頻譜。FFT程序用BASIC語言編寫，可完成對數據的預處理、FFT、頻譜圖的顯示等多種功能。
采樣器的采樣速率為10兆赫，FFT變換是1024點的變換，頻譜精度ΔF＝9.7仟赫。信號源輸出頻率每改變0.5兆赫，對各通道采一次，經FFT變換得典型頻譜。從所測數據中可以看到，對于通道的非交叉區(qū)域，該系統(tǒng)能夠精確得到信號的頻率。在混頻器的每一個通道中都設置了一個外本振輸入端，輸入頻率任意可調，一般把它的頻率設置在比交叉頻率小1兆赫的頻率處。當存在頻率模糊時，啟用外本振，經計算機FFT信號減外本振的差頻信號的頻率，再與外本振相混頻，即為信號的實際頻率的頻譜。
只有這樣，整個系統(tǒng)才有以下功能1.系統(tǒng)對多普勒頻率信號的有無及信號的大小都作出正確的判斷。
2.與采用頻譜儀處理相比，系統(tǒng)的體積和重量大大減小。
3.SAW器件數字化信號預處理有巨大的優(yōu)越性得以發(fā)揮。其優(yōu)點為(1)高度的穩(wěn)定性SAW組例不受溫度等外界環(huán)境的任何影響；而模擬器件的性能都會由于溫度等的變化而有所改變。
(2)高度的靈活性系統(tǒng)的性能容易根據需要進行調整，時不同的目標和背景，要求采用不同的信號處理方式，系統(tǒng)靈活性正滿足了這種要求。
(3)測量精度高。
測頻精度可以滿足要求。
權利要求一種多通道聲表面窄帶匹配濾波器組，由頻率選擇通道(1)和變頻器(2)、低通濾波器(3)等組成，所述的變頻器是由混頻器(4)、放大器(5)、本機振蕩器(6)和機外振蕩(7)組成；輸入的頻率信號經頻率選擇通過其輸出信號選頻后，經耦合電容C1進入混頻器進行混頻，混頻后的信號經放大器放大后同本振信號或外本振信號合成后送低通濾波器濾波后輸出；其特征在于頻率選擇通道是由多個不同頻率與帶寬的聲表面(SAW)濾波器所組成的多通道頻率選擇電路構成的，所述的多通道頻率選擇電路的構成為將電感L1i和電容C1i、電感L2i和電容C2i分別各自并聯成電感電容(L1iC1i)和電感電容(L2iC2i)回路，其中角標i＝1，2，3，…，n為自然數，再依角標數由小到大的順序將這些回路串聯，在最后一組回路，即電感電容(L2nC2n)之后，串接一個電阻R，電阻R的另一端接地；在每一對電感電容(L1iC1i)和電感電容(L2iC2i)回路串聯的節(jié)點上，引出兩條線，一條接電容C3i后連接地端，另一條經中心頻率為f0i的聲表面濾波器后接混頻器的輸入的輸入端，經過混頻器的頻率信號將降低信號的頻率到中頻，經窄帶低通濾波器進一步抑制雜波，得到頻譜特征不變多普勒信號，再通過模/數(A/D)轉換信號采集器在計算機中進行快速富里葉變換(FFT)進一步提高測頻精度。
專利摘要一種多通道聲表面窄帶匹配濾波器組，由頻率選擇通道，變頻器和低通濾波器等組成。頻率選擇通道由多個不同頻率與帶寬的聲表面濾波器及相應的頻率選擇電路構成的。輸入信號經頻率選擇通道濾波后，經混頻放大，然后同本地振蕩或外本地振蕩一起送低通濾波器再次濾波后輸出。
文檔編號H03H9/00GK2266227SQ9621650
公開日1997年10月29日 申請日期1996年6月24日 優(yōu)先權日1996年6月24日
發(fā)明者戴永江, 吳海濱 申請人:哈爾濱工業(yè)大學