Los sistemas de imágenes de ondas milimétricas (mmWave) son cada vez más populares en los controles de seguridad de edificios públicos, instalaciones deportivas y aeropuertos. Estos sistemas son capaces de detectar materiales peligrosos metálicos y no metálicos e informar su ubicación dentro del área de escaneo, lo que ayuda a los profesionales de seguridad a localizar e identificar elementos sospechosos más rápidamente. Este artículo explorará los principios fundamentales de las imágenes de ondas milimétricas, explicará cómo funcionan juntos los componentes de la solución de ondas milimétricas diseñada por Analog Devices, Inc. (ADI) y se centrará en el papel clave de la tecnología de procesamiento de vanguardia en la actualización iterativa del sistema.
Introducción a la onda milimétrica
En los sistemas de ondas milimétricas, los conjuntos de transmisores y receptores están conectados a un conjunto de antenas distribuidas espacialmente. En un momento específico, una antena del conjunto emite señales de radiofrecuencia (RF) omnidireccionales de frecuencia única y baja potencia, que son reflejadas por el objeto objetivo (Figura 1). La señal retrodispersada generada por esta reflexión será recibida por todas las antenas del conjunto, y el circuito integrado (IC) que conecta las antenas obtiene información midiendo la fase y la amplitud de estas señales retrodispersadas.
Diagrama esquemático del sistema de ondas milimétricas para antenas transmisoras en secuencia.
Figura 1: En un sistema de ondas milimétricas, la antena transmisora transmite secuencialmente señales omnidireccionales, de frecuencia única y de baja potencia. Luego, la antena receptora mide la retrodispersión. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)
Cada antena transmisora enviará la misma señal de forma secuencial, y este proceso de medición se repetirá para cada transmisión. Al repetir todo el proceso en múltiples frecuencias dentro del rango de 10 GHz a 40 GHz, el sistema puede capturar las diferencias en la profundidad de penetración y la reflexión de la señal causadas por las variaciones de frecuencia de diferentes señales de RF. La resolución del sistema depende del número de canales de transmisión y recepción: por ejemplo, los escáneres de aeropuertos tienen un gran número de canales para cumplir con la alta resolución requerida para detectar objetos pequeños como navajas de afeitar; Para escenarios donde las armas y los explosivos son los principales objetivos de monitoreo, el uso de menos canales puede reducir los costos y acortar el tiempo de escaneo.
El procesador combina la información de retrodispersión en una matriz vectorial. Cuando estos vectores se asocian con la frecuencia y la posición espacial, la matriz multidimensional generada puede generar imágenes que no solo reconocen objetos metálicos, sino que también detectan elementos no metálicos ocultos entre y debajo de las capas de ropa.
La velocidad de escaneo depende de la velocidad a la que el sistema procesa los datos de retrodispersión, cambia de un transmisor a otro y escanea cíclicamente la frecuencia requerida. Por ejemplo, un sistema con 500 componentes que cubren el rango de 10 GHz a 40 GHz en incrementos de 50 MHz debe someterse a 300.000 conmutaciones. Los sistemas de ondas milimétricas implementados hoy en día, con su rápida capacidad de conmutación, solo requieren que la persona escaneada mantenga una postura durante unos segundos para generar imágenes efectivas. A medida que la velocidad de conmutación sea más rápida, en el futuro los sistemas de ondas milimétricas podrán incluso reconocer objetos peligrosos cuando el sujeto pase a pie por el detector sin detenerse.
Construyendo un sistema de ondas milimétricas
Para detectar amenazas potenciales, lograr la resolución requerida y facilitar un escaneo rápido, los diseñadores de sistemas de ondas milimétricas deben elegir hardware que pueda funcionar en conjunto. La solución de sistema integrado de ondas milimétricas de ADI incluye un sintetizador de banda ancha de microondas ADF4368, múltiples circuitos integrados de transmisor ADAR2001, múltiples circuitos integrados de receptor ADAR2004 y un convertidor analógico a digital (ADC) AD9083. Cada dispositivo se analizará en secuencia a continuación (Figura 2).
Integrador de imagen del sistema de ondas milimétricas, transmisor, receptor y ADC integrados (haga clic para ampliar)
Figura 2: Un sistema completo de ondas milimétricas combina un sintetizador, un transmisor, un receptor y un ADC con administración de energía, interruptores y componentes lógicos. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)
La cadena de señal comienza desde el sintetizador de bucle de bloqueo de fase (PLL) de banda ancha de microondas ADF4368 con un oscilador controlado por voltaje (VCO) integrado (Figura 3). ADF4368 puede generar pasos de frecuencia en el rango de 2,5 GHz a 10 GHz, con un intervalo de paso de 12,5 MHz, completamente dentro de su banda de frecuencia operativa de 800 MHz a 12,8 GHz. La fluctuación de su señal de RF de un solo extremo de onda continua (CW) es inferior a 30 fsecRMS.
Imagen del sintetizador de banda ancha por microondas ADF4368 de Analog Devices
Figura 3: El sintetizador de banda ancha por microondas ADF4368 con VCO integrado puede proporcionar una salida de RF CW con baja fluctuación en el rango de frecuencia de 2,5 GHz a 10 GHz. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)
La potencia de la señal de salida del ADF4368 es de 9 dBm (7,94 mW). Debido a la menor potencia requerida por el IC del transmisor, la salida del ADF4368 se puede dividir en siete canales, que pueden controlar hasta 128 IC de transmisor de 4 canales o 512 canales.
El CI del transmisor ADAR2001 (Figura 4) recibe información del ADF4368 y luego multiplica, filtra, atenúa, divide y amplifica la señal para proporcionar cuatro canales de salida de antena con frecuencias entre 10 GHz y 40 GHz para cada CI.