Millimetergolf (mmWave) beeldvormingssystemen worden steeds populairder bij veiligheidscontroles van openbare gebouwen, sportlocaties en luchthavens. Deze systemen zijn in staat om metalen en niet-metaalhoudende gevaarlijke materialen te detecteren en hun locatie binnen het scangebied te rapporteren, waardoor beveiligingsprofessionals verdachte items sneller kunnen lokaliseren en identificeren. Dit artikel onderzoekt de fundamentele principes van millimetergolfbeeldvorming, legt uit hoe de componenten in de millimetergolfoplossing ontworpen door Analog Devices, Inc. (ADI) samenwerken en concentreert zich op de sleutelrol van edge-verwerkingstechnologie bij de iteratieve upgrade van het systeem.
Inleiding tot millimetergolven
Bij millimetergolfsystemen zijn de zender- en ontvangerarrays verbonden met een ruimtelijk verdeelde antenne-array. Op een specifiek tijdstip zendt één antenne in de array laagvermogen, enkelvoudige, omnidirectionele radiofrequentiesignalen (RF) uit, die worden gereflecteerd door het doelobject (Afbeelding 1). Het door deze reflectie gegenereerde terugverstrooide signaal zal door alle antennes in de array worden ontvangen, en het geïntegreerde circuit (IC) dat de antennes verbindt, verkrijgt informatie door de fase en amplitude van deze terugverstrooide signalen te meten.
Schematisch diagram van millimetergolfsysteem voor het achter elkaar verzenden van antennes
Figuur 1: In een millimetergolfsysteem zendt de zendantenne achtereenvolgens signalen met laag vermogen, enkele frequentie en omnidirectionele signalen uit. Vervolgens meet de ontvangende antenne de terugverstrooiing. (Afbeeldingsbron: Analog Devices, Inc.)
Elke zendantenne verzendt hetzelfde signaal opeenvolgend, en dit meetproces wordt voor elke uitzending herhaald. Door het hele proces te herhalen op meerdere frequenties binnen het bereik van 10 GHz tot 40 GHz, kan het systeem de verschillen in penetratiediepte en signaalreflectie vastleggen die worden veroorzaakt door frequentievariaties van verschillende RF-signalen. De systeemresolutie hangt af van het aantal zend- en ontvangstkanalen: luchthavenscanners hebben bijvoorbeeld een groot aantal kanalen om te voldoen aan de hoge resolutie die nodig is voor het detecteren van kleine voorwerpen zoals scheermesjes; Voor scenario's waarin wapens en explosieven de belangrijkste monitoringdoelen zijn, kan het gebruik van minder kanalen zowel de kosten verlagen als de scantijd verkorten.
De processor combineert de terugverstrooiingsinformatie in een vectormatrix. Wanneer deze vectoren worden geassocieerd met frequentie en ruimtelijke positie, kan de gegenereerde multidimensionale array beelden genereren die niet alleen metalen objecten herkennen, maar ook niet-metalen items detecteren die verborgen zijn tussen en onder kledinglagen.
De scansnelheid is afhankelijk van de snelheid waarmee het systeem backscattergegevens verwerkt, van zender naar zender overschakelt en cyclisch de vereiste frequentie scant. Een systeem met 500 componenten dat het bereik van 10 GHz tot 40 GHz bestrijkt in stappen van 50 MHz, moet bijvoorbeeld 300.000 schakelaars ondergaan. De millimetergolfsystemen die tegenwoordig worden ingezet, met hun snelle schakelmogelijkheden, vereisen slechts dat de gescande persoon een paar seconden een houding aanhoudt om effectieve beelden te genereren. Naarmate de schakelsnelheid sneller wordt, kunnen millimetergolfsystemen in de toekomst zelfs bedreigende objecten herkennen wanneer het onderwerp te voet zonder te stoppen door de detector gaat.
Een millimetergolfsysteem bouwen
Om potentiële bedreigingen te detecteren, de vereiste resolutie te bereiken en snel scannen mogelijk te maken, moeten ontwerpers van millimetergolfsystemen hardware kiezen die kan samenwerken. De geïntegreerde millimetergolfsysteemoplossing van ADI omvat een ADF4368 microgolfbreedbandsynthesizer, meerdere ADAR2001 zender-IC's, meerdere ADAR2004 ontvanger-IC's en een AD9083 analoog-naar-digitaal-omzetter (ADC). Elk apparaat wordt hieronder in volgorde besproken (Figuur 2).
Millimetergolfsysteem beeldintegrator, zender, ontvanger en ADC geïntegreerd (klik om te vergroten)
Figuur 2: Een compleet millimetergolfsysteem combineert een synthesizer, zender, ontvanger en ADC met energiebeheer, schakelaars en logische componenten. (Afbeeldingsbron: Analog Devices, Inc.)
De signaalketen begint bij de ADF4368 microgolfbreedband Phase-Locked Loop (PLL)-synthesizer met een geïntegreerde spanningsgestuurde oscillator (VCO) (Afbeelding 3). De ADF4368 kan frequentiestappen genereren in het bereik van 2,5 GHz tot 10 GHz, met een stapinterval van 12,5 MHz, volledig binnen de werkfrequentieband van 800 MHz tot 12,8 GHz. De jitter van het continue golf (CW) single-ended RF-signaal is minder dan 30 fsecRMS.
Afbeelding van analoge apparaten ADF4368 microgolfbreedbandsynthesizer
Afbeelding 3: De ADF4368 microgolfbreedbandsynthesizer met geïntegreerde VCO kan CW RF-uitvoer met lage jitter leveren in het frequentiebereik van 2,5 GHz tot 10 GHz. (Afbeeldingsbron: Analog Devices, Inc.)
Het uitgangssignaalvermogen van de ADF4368 is 9 dBm (7,94 mW). Vanwege het lagere vermogen dat het zender-IC nodig heeft, kan de uitvoer van de ADF4368 worden verdeeld in zeven kanalen, die maximaal 128 4-kanaals zender-IC's of 512 kanalen kunnen aansturen.
Het ADAR2001 zender-IC (Afbeelding 4) ontvangt input van ADF4368 en vermenigvuldigt, filtert, verzwakt, verdeelt en versterkt het signaal om vier antenne-uitgangskanalen te leveren met frequenties tussen 10 GHz en 40 GHz voor elke IC.