Systemy obrazowania wykorzystujące fale milimetrowe (mmWave) stają się coraz bardziej popularne podczas kontroli bezpieczeństwa budynków użyteczności publicznej, obiektów sportowych i lotnisk. Systemy te są w stanie wykryć niebezpieczne materiały metalowe i niemetalowe oraz zgłosić ich lokalizację w obszarze skanowania, pomagając w ten sposób specjalistom ds. bezpieczeństwa szybciej zlokalizować i zidentyfikować podejrzane przedmioty. W tym artykule zostaną omówione podstawowe zasady obrazowania za pomocą fal milimetrowych, wyjaśnione, w jaki sposób komponenty rozwiązania wykorzystującego fale milimetrowe zaprojektowane przez firmę Analog Devices, Inc. (ADI) współpracują ze sobą, a także skupione na kluczowej roli technologii przetwarzania krawędzi w iteracyjnej modernizacji systemu.
Wprowadzenie do fali milimetrowej
W systemach wykorzystujących fale milimetrowe układy nadajników i odbiorników są połączone z przestrzennie rozproszonym układem anten. W określonym momencie jedna antena w układzie emituje dookólne sygnały radiowe (RF) o małej mocy i pojedynczej częstotliwości, które są odbijane przez obiekt docelowy (rysunek 1). Sygnał rozproszony wstecznie generowany przez to odbicie zostanie odebrany przez wszystkie anteny w układzie, a układ scalony (IC) łączący anteny uzyska informacje poprzez pomiar fazy i amplitudy tych sygnałów rozproszonych wstecznie.
Schemat ideowy układu fal milimetrowych dla anten nadawczych w kolejności
Rysunek 1: W systemie fal milimetrowych antena nadawcza sekwencyjnie nadaje sygnały o małej mocy, o pojedynczej częstotliwości i dookólne. Następnie antena odbiorcza mierzy rozproszenie wsteczne. (Źródło obrazu: Analog Devices, Inc.)
Każda antena nadawcza będzie wysyłać sekwencyjnie ten sam sygnał, a proces pomiaru będzie powtarzany dla każdej transmisji. Powtarzając cały proces na wielu częstotliwościach w zakresie od 10 GHz do 40 GHz, system może uchwycić różnice w głębokości penetracji i odbiciu sygnału spowodowane zmianami częstotliwości różnych sygnałów RF. Rozdzielczość systemu zależy od liczby kanałów transmisji i odbioru: na przykład skanery lotniskowe mają dużą liczbę kanałów, aby zapewnić wysoką rozdzielczość wymaganą do wykrywania małych obiektów, takich jak brzytwy; W scenariuszach, w których głównymi celami monitorowania są broń i materiały wybuchowe, użycie mniejszej liczby kanałów może zarówno obniżyć koszty, jak i skrócić czas skanowania.
Procesor łączy informacje o rozproszeniu wstecznym w macierz wektorową. Gdy wektory te zostaną powiązane z częstotliwością i położeniem przestrzennym, wygenerowana tablica wielowymiarowa może wygenerować obrazy, które nie tylko rozpoznają obiekty metalowe, ale także wykrywają przedmioty niemetalowe ukryte pomiędzy warstwami odzieży i pod nimi.
Szybkość skanowania zależy od szybkości, z jaką system przetwarza dane rozproszenia wstecznego, przełącza się z nadajnika na nadajnik i cyklicznie skanuje wymaganą częstotliwość. Na przykład system składający się z 500 komponentów obejmujących zakres od 10 GHz do 40 GHz z przyrostem co 50 MHz musi przejść 300 000 przełączników. Obecnie stosowane systemy wykorzystujące fale milimetrowe i umożliwiające szybkie przełączanie wymagają jedynie, aby skanowana osoba utrzymywała postawę przez kilka sekund, aby wygenerować skuteczne obrazy. Ponieważ prędkość przełączania stanie się większa, w przyszłości systemy wykorzystujące fale milimetrowe będą mogły nawet rozpoznawać zagrażające obiekty, gdy obiekt przejdzie przez detektor pieszo, bez zatrzymywania się.
Budowa układu fal milimetrowych
Aby wykryć potencjalne zagrożenia, osiągnąć wymaganą rozdzielczość i ułatwić szybkie skanowanie, projektanci systemów wykorzystujących fale milimetrowe muszą wybrać sprzęt, który może ze sobą współpracować. Zintegrowany system fal milimetrowych firmy ADI obejmuje szerokopasmowy syntezator mikrofalowy ADF4368, wiele układów scalonych nadajnika ADAR2001, wiele układów scalonych odbiornika ADAR2004 oraz przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) AD9083. Każde urządzenie zostanie omówione w kolejności poniżej (rysunek 2).
Integrator obrazu systemu fal milimetrowych, nadajnik, odbiornik i zintegrowany przetwornik ADC (kliknij, aby powiększyć)
Rysunek 2: Kompletny system fal milimetrowych składa się z syntezatora, nadajnika, odbiornika i przetwornika ADC z zarządzaniem energią, przełącznikami i komponentami logicznymi. (Źródło obrazu: Analog Devices, Inc.)
Łańcuch sygnałowy rozpoczyna się od szerokopasmowego mikrofalowego syntezatora z pętlą synchronizacji fazowej (PLL) ADF4368 ze zintegrowanym oscylatorem sterowanym napięciem (VCO) (rysunek 3). ADF4368 może generować kroki częstotliwości w zakresie od 2,5 GHz do 10 GHz, z interwałem kroku 12,5 MHz, całkowicie w swoim paśmie częstotliwości roboczej od 800 MHz do 12,8 GHz. Jitter sygnału RF o fali ciągłej (CW) z pojedynczym zakończeniem jest mniejszy niż 30 fsecRMS.
Obraz urządzeń analogowych ADF4368 Mikrofalowy syntezator szerokopasmowy
Rysunek 3: Mikrofalowy syntezator szerokopasmowy ADF4368 ze zintegrowanym VCO może zapewnić sygnał wyjściowy CW RF o niskim jitterze w zakresie częstotliwości od 2,5 GHz do 10 GHz. (Źródło obrazu: Analog Devices, Inc.)
Moc sygnału wyjściowego ADF4368 wynosi 9 dBm (7,94 mW). Ze względu na niższą moc wymaganą przez układ scalony nadajnika, wyjście ADF4368 można podzielić na siedem kanałów, które mogą obsługiwać do 128 4-kanałowych układów scalonych nadajnika lub 512 kanałów.
Układ scalony nadajnika ADAR2001 (rysunek 4) odbiera sygnał wejściowy z ADF4368, a następnie mnoży, filtruje, tłumi, dzieli i wzmacnia sygnał, aby zapewnić cztery kanały wyjściowe anteny o częstotliwościach od 10 GHz do 40 GHz dla każdego układu scalonego.