การประมวลผลขอบช่วยให้การสแกนคลื่นมิลลิเมตรรวดเร็วและแม่นยำยิ่งขึ้น

ระบบถ่ายภาพคลื่นมิลลิเมตร (mmWave) กำลังได้รับความนิยมมากขึ้นในการตรวจสอบความปลอดภัยของอาคารสาธารณะ สนามกีฬา และสนามบิน ระบบเหล่านี้มีความสามารถในการตรวจจับวัตถุอันตรายที่เป็นโลหะและไม่ใช่โลหะ และรายงานตำแหน่งภายในพื้นที่การสแกน จึงช่วยให้ผู้เชี่ยวชาญด้านความปลอดภัยค้นหาและระบุวัตถุต้องสงสัยได้รวดเร็วยิ่งขึ้น บทความนี้จะสำรวจหลักการพื้นฐานของการถ่ายภาพคลื่นมิลลิเมตร อธิบายว่าส่วนประกอบในโซลูชันคลื่นมิลลิเมตรที่ออกแบบโดย Analog Devices, Inc. (ADI) ทำงานร่วมกันได้อย่างไร และมุ่งเน้นไปที่บทบาทสำคัญของเทคโนโลยีการประมวลผลเอดจ์ในการอัพเกรดระบบแบบวนซ้ำ

รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับคลื่นมิลลิเมตร
ในระบบคลื่นมิลลิเมตร อาร์เรย์ตัวส่งและตัวรับจะเชื่อมต่อกับอาร์เรย์เสาอากาศแบบกระจายเชิงพื้นที่ ณ จุดใดจุดหนึ่ง เสาอากาศหนึ่งในอาเรย์จะปล่อยสัญญาณความถี่วิทยุรอบทิศทาง (RF) ความถี่เดียวความถี่ต่ำ ซึ่งสะท้อนโดยวัตถุเป้าหมาย (รูปที่ 1) สัญญาณกระจายกลับที่เกิดจากการสะท้อนกลับนี้จะได้รับจากเสาอากาศทั้งหมดในอาเรย์ และวงจรรวม (IC) ที่เชื่อมต่อกับเสาอากาศจะได้รับข้อมูลโดยการวัดเฟสและแอมพลิจูดของสัญญาณกระจายกลับเหล่านี้

แผนผังของระบบคลื่นมิลลิเมตรสำหรับส่งสัญญาณเสาอากาศตามลำดับ
รูปที่ 1: ในระบบคลื่นมิลลิเมตร เสาอากาศส่งสัญญาณจะกระจายสัญญาณพลังงานต่ำ ความถี่เดียว และสัญญาณรอบทิศทางตามลำดับ จากนั้นเสาอากาศรับสัญญาณจะวัดการกระจายกลับ (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices, Inc.)

เสาอากาศส่งสัญญาณแต่ละตัวจะส่งสัญญาณเดียวกันตามลำดับ และกระบวนการวัดนี้จะถูกทำซ้ำสำหรับการส่งสัญญาณแต่ละครั้ง ด้วยการทำซ้ำกระบวนการทั้งหมดบนความถี่ต่างๆ ภายในช่วง 10 GHz ถึง 40 GHz ระบบสามารถจับความแตกต่างของความลึกของการเจาะและการสะท้อนของสัญญาณที่เกิดจากการแปรผันของความถี่ของสัญญาณ RF ที่แตกต่างกัน ความละเอียดของระบบขึ้นอยู่กับจำนวนช่องสัญญาณส่งและรับสัญญาณ ตัวอย่างเช่น เครื่องสแกนที่สนามบินมีช่องสัญญาณจำนวนมากเพื่อตอบสนองความละเอียดสูงที่จำเป็นสำหรับการตรวจจับวัตถุขนาดเล็ก เช่น มีดโกน; สำหรับสถานการณ์ที่อาวุธและวัตถุระเบิดเป็นเป้าหมายหลักในการตรวจสอบ การใช้ช่องทางน้อยลงสามารถลดต้นทุนและลดระยะเวลาในการสแกนได้

โปรเซสเซอร์จะรวมข้อมูลการกระจายกลับเป็นเมทริกซ์เวกเตอร์ เมื่อเวกเตอร์เหล่านี้เชื่อมโยงกับความถี่และตำแหน่งเชิงพื้นที่ อาเรย์หลายมิติที่สร้างขึ้นจะสามารถสร้างภาพที่ไม่เพียงแต่จดจำวัตถุที่เป็นโลหะ แต่ยังตรวจจับสิ่งของที่ไม่ใช่โลหะที่ซ่อนอยู่ระหว่างและใต้ชั้นเสื้อผ้าอีกด้วย

ความเร็วในการสแกนขึ้นอยู่กับความเร็วที่ระบบประมวลผลข้อมูลการกระจายกลับ สลับจากตัวส่งไปยังตัวส่งสัญญาณ และสแกนความถี่ที่ต้องการแบบวนซ้ำ ตัวอย่างเช่น ระบบที่มีส่วนประกอบ 500 ชิ้นครอบคลุมช่วง 10 GHz ถึง 40 GHz โดยเพิ่มทีละ 50 MHz จะต้องผ่านสวิตช์ 300,000 ตัว ระบบคลื่นมิลลิเมตรที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบันซึ่งมีความสามารถในการสลับอย่างรวดเร็วนั้น เพียงต้องการให้บุคคลที่สแกนรักษาท่าทางไว้เพียงไม่กี่วินาทีเพื่อสร้างภาพที่มีประสิทธิภาพ เมื่อความเร็วในการสลับเร็วขึ้น ในอนาคต ระบบคลื่นมิลลิเมตรยังสามารถจดจำวัตถุที่กำลังคุกคามได้เมื่อวัตถุเดินผ่านเครื่องตรวจจับด้วยการเดินเท้าโดยไม่หยุด

การสร้างระบบคลื่นมิลลิเมตร
เพื่อตรวจจับภัยคุกคามที่อาจเกิดขึ้น บรรลุความละเอียดที่ต้องการ และอำนวยความสะดวกในการสแกนอย่างรวดเร็ว ผู้ออกแบบระบบคลื่นมิลลิเมตรจะต้องเลือกฮาร์ดแวร์ที่สามารถทำงานร่วมกันได้ โซลูชันระบบคลื่นมิลลิเมตรแบบครบวงจรของ ADI ประกอบด้วยเครื่องสังเคราะห์คลื่นไมโครเวฟบรอดแบนด์ ADF4368, ไอซีตัวส่งสัญญาณ ADAR2001 หลายตัว, ไอซีตัวรับ ADAR2004 หลายตัว และตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) AD9083 อุปกรณ์แต่ละชิ้นจะกล่าวถึงตามลำดับด้านล่าง (รูปที่ 2)

รวมภาพระบบคลื่นมิลลิเมตร เครื่องส่ง เครื่องรับ และ ADC เข้าด้วยกัน (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)
รูปที่ 2: ระบบคลื่นมิลลิเมตรที่สมบูรณ์จะรวมซินธิไซเซอร์ เครื่องส่ง เครื่องรับ และ ADC เข้ากับการจัดการพลังงาน สวิตช์ และส่วนประกอบลอจิก (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices, Inc.)

สายโซ่สัญญาณเริ่มต้นจากเครื่องสังเคราะห์เฟสล็อคลูป (PLL) บรอดแบนด์ไมโครเวฟ ADF4368 พร้อมด้วยออสซิลเลเตอร์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าในตัว (VCO) (รูปที่ 3) ADF4368 สามารถสร้างสเต็ปความถี่ในช่วง 2.5 GHz ถึง 10 GHz โดยมีช่วงสเต็ป 12.5 MHz โดยสมบูรณ์ภายในย่านความถี่การทำงาน 800 MHz ถึง 12.8 GHz ความกระวนกระวายใจของสัญญาณ RF ปลายเดี่ยวคลื่นต่อเนื่อง (CW) น้อยกว่า 30 fsecRMS

รูปภาพของอุปกรณ์อะนาล็อก ADF4368 เครื่องสังเคราะห์บรอดแบนด์ไมโครเวฟ
รูปที่ 3: เครื่องสังเคราะห์บรอดแบนด์ไมโครเวฟ ADF4368 ที่มี VCO ในตัวสามารถให้เอาต์พุต RF ที่กระวนกระวายใจต่ำ CW ในช่วงความถี่ 2.5-GHz ถึง 10-GHz (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices, Inc.)

กำลังสัญญาณเอาท์พุตของ ADF4368 คือ 9 dBm (7.94 mW) เนื่องจากกำลังไฟที่ต่ำกว่าที่ IC ตัวส่งสัญญาณต้องการ เอาท์พุตของ ADF4368 จึงสามารถแบ่งออกเป็น 7 ช่องสัญญาณ ซึ่งสามารถขับเคลื่อน IC ตัวส่งสัญญาณ 4 ช่องสัญญาณได้สูงสุดถึง 128 ตัว หรือ 512 ช่องสัญญาณ

IC ตัวส่งสัญญาณ ADAR2001 (รูปที่ 4) รับอินพุตจาก ADF4368 จากนั้นคูณ กรอง ลดทอน แบ่ง และขยายสัญญาณเพื่อให้ช่องสัญญาณเอาท์พุตเสาอากาศสี่ช่องที่มีความถี่ระหว่าง 10 GHz ถึง 40 GHz สำหรับแต่ละ IC