پردازش لبه راه را برای اسکن امواج میلی‌متری سریع‌تر و دقیق‌تر هموار می‌کند

سیستم های تصویربرداری موج میلی متری (mmWave) در بررسی های امنیتی ساختمان های عمومی، اماکن ورزشی و فرودگاه ها به طور فزاینده ای محبوب می شوند. این سیستم‌ها می‌توانند مواد خطرناک فلزی و غیرفلزی را شناسایی کرده و موقعیت آن‌ها را در منطقه اسکن گزارش کنند، در نتیجه به متخصصان امنیتی کمک می‌کنند تا موارد مشکوک را سریع‌تر مکان‌یابی و شناسایی کنند. این مقاله اصول اساسی تصویربرداری موج میلیمتری را بررسی می کند، توضیح می دهد که چگونه اجزای موجود در راه حل موج میلی متری طراحی شده توسط Analog Devices, Inc. (ADI) با هم کار می کنند، و بر نقش کلیدی فناوری پردازش لبه در ارتقاء تکراری سیستم تمرکز می کند.

مقدمه ای بر موج میلی متری
در سیستم‌های موج میلی‌متری، آرایه‌های فرستنده و گیرنده به یک آرایه آنتن با توزیع فضایی متصل می‌شوند. در یک نقطه خاص از زمان، یک آنتن در آرایه، سیگنال‌های فرکانس رادیویی همه‌جهته (RF) تک فرکانس با توان کم را منتشر می‌کند که توسط شی هدف منعکس می‌شود (شکل 1). سیگنال پس پراکنده تولید شده توسط این بازتاب توسط تمام آنتن های موجود در آرایه دریافت می شود و مدار مجتمع (IC) که آنتن ها را به هم متصل می کند با اندازه گیری فاز و دامنه این سیگنال های پس پراکنده اطلاعاتی را به دست می آورد.

نمودار شماتیک سیستم موج میلی متری برای ارسال آنتن ها به ترتیب
شکل 1: در یک سیستم موج میلی متری، آنتن فرستنده به طور متوالی سیگنال های کم توان، تک فرکانس و همه جهته را پخش می کند. سپس، آنتن گیرنده میزان پس پراکندگی را اندازه گیری می کند. (منبع تصویر: Analog Devices, Inc.)

هر آنتن فرستنده همان سیگنال را به صورت متوالی ارسال می کند و این فرآیند اندازه گیری برای هر انتقال تکرار می شود. با تکرار کل فرآیند در فرکانس‌های متعدد در محدوده 10 گیگاهرتز تا 40 گیگاهرتز، سیستم می‌تواند تفاوت‌های عمق نفوذ و بازتاب سیگنال ناشی از تغییرات فرکانس سیگنال‌های RF مختلف را ثبت کند. وضوح سیستم به تعداد کانال‌های ارسال و دریافت بستگی دارد: برای مثال، اسکنرهای فرودگاهی تعداد زیادی کانال برای برآورده کردن وضوح بالای مورد نیاز برای تشخیص اجسام کوچک مانند تیغ دارند. برای سناریوهایی که سلاح ها و مواد منفجره اهداف اصلی نظارت هستند، استفاده از کانال های کمتر می تواند هم هزینه ها را کاهش دهد و هم زمان اسکن را کوتاه کند.

پردازنده اطلاعات backscatter را در یک ماتریس برداری ترکیب می کند. هنگامی که این بردارها با فرکانس و موقعیت مکانی مرتبط هستند، آرایه چند بعدی تولید شده می‌تواند تصاویری تولید کند که نه تنها اشیاء فلزی را تشخیص می‌دهد، بلکه موارد غیرفلزی پنهان شده بین و زیر لایه‌های لباس را نیز تشخیص می‌دهد.

سرعت اسکن بستگی به سرعتی دارد که سیستم با آن داده های backscatter را پردازش می کند، از فرستنده ای به فرستنده دیگر سوئیچ می کند و به صورت دوره ای فرکانس مورد نیاز را اسکن می کند. به عنوان مثال، یک سیستم با 500 جزء که محدوده 10 گیگاهرتز تا 40 گیگاهرتز را با افزایش 50 مگاهرتز پوشش می دهد، باید تحت 300000 سوئیچ قرار گیرد. سیستم‌های موج میلی‌متری که امروزه به کار می‌روند، با قابلیت سوئیچینگ سریع خود، تنها به فرد اسکن شده نیاز دارند تا برای چند ثانیه وضعیت خود را حفظ کند تا تصاویری مؤثر ایجاد کند. با افزایش سرعت سوئیچینگ، در آینده، سیستم‌های امواج میلی‌متری حتی می‌توانند اشیاء تهدید کننده را هنگامی که سوژه با پای پیاده و بدون توقف از آشکارساز عبور می‌کند، تشخیص دهند.

ساخت یک سیستم موج میلیمتری
به منظور شناسایی تهدیدات بالقوه، دستیابی به وضوح مورد نیاز و تسهیل اسکن سریع، طراحان سیستم موج میلی متری باید سخت افزاری را انتخاب کنند که بتواند با هم کار کند. راه حل یکپارچه سیستم موج میلی متری ADI شامل یک سینت سایزر باند پهن مایکروویو ADF4368، چندین آی سی فرستنده ADAR2001، چندین آی سی گیرنده ADAR2004 و یک مبدل آنالوگ به دیجیتال AD9083 (ADC) است. هر دستگاه به ترتیب در زیر مورد بحث قرار خواهد گرفت (شکل 2).

ادغام کننده تصویر سیستم موج میلیمتری، فرستنده، گیرنده و ADC یکپارچه (برای بزرگنمایی کلیک کنید)
شکل 2: یک سیستم موج میلی متری کامل یک سینت سایزر، فرستنده، گیرنده و ADC را با مدیریت توان، سوئیچ ها و اجزای منطقی ترکیب می کند. (منبع تصویر: Analog Devices, Inc.)

زنجیره سیگنال از سینت سایزر ADF4368 مایکروویو باند پهن باند فاز قفل شده (PLL) با یک نوسان ساز یکپارچه کنترل شده با ولتاژ (VCO) شروع می شود (شکل 3). ADF4368 می تواند مراحل فرکانسی را در محدوده 2.5 گیگاهرتز تا 10 گیگاهرتز، با فاصله گامی 12.5 مگاهرتز، کاملاً در باند فرکانس کاری 800 مگاهرتز تا 12.8 گیگاهرتز تولید کند. لرزش سیگنال RF تک سر موج پیوسته آن (CW) کمتر از 30 fsecRMS است.

تصویر دستگاه های آنالوگ ADF4368 مایکروویو سینتی سایزر پهن باند
شکل 3: سینت سایزر باند پهن مایکروویو ADF4368 با VCO یکپارچه می تواند خروجی RF CW با لرزش کم را در محدوده فرکانس 2.5 گیگاهرتز تا 10 گیگاهرتز ارائه دهد. (منبع تصویر: Analog Devices, Inc.)

قدرت سیگنال خروجی ADF4368 9 dBm (7.94 مگاوات) است. با توجه به توان کمتر مورد نیاز آی سی فرستنده، خروجی ADF4368 را می توان به هفت کانال تقسیم کرد که می تواند تا 128 آی سی فرستنده 4 کانال یا 512 کانال را هدایت کند.

آی سی فرستنده ADAR2001 (شکل 4) ورودی را از ADF4368 دریافت می کند و سپس سیگنال را ضرب می کند، فیلتر می کند، ضعیف می کند، تقسیم می کند و سیگنال را تقویت می کند تا چهار کانال خروجی آنتن را با فرکانس های بین 10 گیگاهرتز تا 40 گیگاهرتز برای هر آی سی ارائه دهد.