Os sistemas de imagem de ondas milimétricas (mmWave) estão se tornando cada vez mais populares nas verificações de segurança de edifícios públicos, instalações esportivas e aeroportos. Esses sistemas são capazes de detectar materiais perigosos metálicos e não metálicos e relatar sua localização dentro da área de varredura, ajudando assim os profissionais de segurança a localizar e identificar itens suspeitos mais rapidamente. Este artigo explorará os princípios fundamentais da imagem de ondas milimétricas, explicará como os componentes da solução de ondas milimétricas projetada pela Analog Devices, Inc. (ADI) funcionam juntos e se concentrará no papel fundamental da tecnologia de processamento de borda na atualização iterativa do sistema.
Introdução à Onda Milimétrica
Em sistemas de ondas milimétricas, os conjuntos de transmissores e receptores são conectados a um conjunto de antenas distribuídas espacialmente. Em um momento específico, uma antena do conjunto emite sinais de radiofrequência (RF) omnidirecionais de baixa potência e frequência única, que são refletidos pelo objeto alvo (Figura 1). O sinal retroespalhado gerado por esta reflexão será recebido por todas as antenas do arranjo, e o circuito integrado (IC) que conecta as antenas obtém informações medindo a fase e a amplitude desses sinais retroespalhados.
Diagrama esquemático do sistema de ondas milimétricas para transmissão de antenas em sequência
Figura 1: Em um sistema de ondas milimétricas, a antena transmissora transmite sequencialmente sinais de baixa potência, frequência única e omnidirecionais. Então, a antena receptora mede o retroespalhamento. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)
Cada antena transmissora enviará o mesmo sinal sequencialmente e este processo de medição será repetido para cada transmissão. Ao repetir todo o processo em múltiplas frequências na faixa de 10 GHz a 40 GHz, o sistema pode capturar as diferenças na profundidade de penetração e na reflexão do sinal causadas pelas variações de frequência de diferentes sinais de RF. A resolução do sistema depende do número de canais de transmissão e recepção: por exemplo, os scanners de aeroportos possuem um grande número de canais para atender à alta resolução necessária para detectar pequenos objetos como lâminas de barbear; Para cenários em que armas e explosivos são os principais alvos de monitorização, a utilização de menos canais pode reduzir custos e diminuir o tempo de digitalização.
O processador combina as informações de retroespalhamento em uma matriz vetorial. Quando esses vetores estão associados à frequência e à posição espacial, o array multidimensional gerado pode gerar imagens que não apenas reconhecem objetos metálicos, mas também detectam itens não metálicos escondidos entre e abaixo das camadas de roupas.
A velocidade de varredura depende da velocidade com que o sistema processa os dados de retroespalhamento, muda de transmissor para transmissor e varre ciclicamente a frequência necessária. Por exemplo, um sistema com 500 componentes cobrindo a faixa de 10 GHz a 40 GHz em incrementos de 50 MHz deve passar por 300.000 comutadores. Os sistemas de ondas milimétricas implantados atualmente, com sua capacidade de comutação rápida, exigem apenas que a pessoa escaneada mantenha uma postura por alguns segundos para gerar imagens eficazes. À medida que a velocidade de comutação se torna mais rápida, no futuro, os sistemas de ondas milimétricas poderão até reconhecer objetos ameaçadores quando o sujeito passar pelo detector a pé sem parar.
Construindo um sistema de ondas milimétricas
Para detectar ameaças potenciais, alcançar a resolução necessária e facilitar a varredura rápida, os projetistas de sistemas de ondas milimétricas devem escolher hardware que possa trabalhar em conjunto. A solução de sistema integrado de ondas milimétricas da ADI inclui um sintetizador de banda larga de micro-ondas ADF4368, vários ICs transmissores ADAR2001, vários ICs receptores ADAR2004 e um conversor analógico-digital (ADC) AD9083. Cada dispositivo será discutido em sequência abaixo (Figura 2).
Integrador de imagem do sistema de ondas milimétricas, transmissor, receptor e ADC integrados (clique para ampliar)
Figura 2: Um sistema completo de ondas milimétricas combina um sintetizador, transmissor, receptor e ADC com gerenciamento de energia, interruptores e componentes lógicos. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)
A cadeia de sinal começa no sintetizador de loop de bloqueio de fase (PLL) de banda larga de micro-ondas ADF4368 com um oscilador controlado por tensão (VCO) integrado (Figura 3). O ADF4368 pode gerar passos de frequência na faixa de 2,5 GHz a 10 GHz, com intervalo de passo de 12,5 MHz, completamente dentro de sua faixa de frequência operacional de 800 MHz a 12,8 GHz. O jitter de seu sinal de RF de terminação única de onda contínua (CW) é inferior a 30 fsecRMS.
Imagem do sintetizador de banda larga de micro-ondas Analog Devices ADF4368
Figura 3: O sintetizador de banda larga de micro-ondas ADF4368 com VCO integrado pode fornecer saída de RF CW de baixo jitter na faixa de frequência de 2,5 GHz a 10 GHz. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)
A potência do sinal de saída do ADF4368 é de 9 dBm (7,94 mW). Devido à menor potência exigida pelo IC transmissor, a saída do ADF4368 pode ser dividida em sete canais, que podem acionar até 128 ICs transmissores de 4 canais ou 512 canais.
O IC transmissor ADAR2001 (Figura 4) recebe entrada do ADF4368 e então multiplica, filtra, atenua, divide e amplifica o sinal para fornecer quatro canais de saída de antena com frequências entre 10 GHz e 40 GHz para cada IC.