Hệ thống hình ảnh sóng milimet (mmWave) đang ngày càng trở nên phổ biến trong việc kiểm tra an ninh của các tòa nhà công cộng, địa điểm thể thao và sân bay. Các hệ thống này có khả năng phát hiện các vật liệu nguy hiểm bằng kim loại và phi kim loại và báo cáo vị trí của chúng trong khu vực quét, từ đó giúp các chuyên gia an ninh định vị và xác định các vật phẩm đáng ngờ nhanh hơn. Bài viết này sẽ khám phá các nguyên tắc cơ bản của hình ảnh sóng milimet, giải thích cách các thành phần trong giải pháp sóng milimet do Analog Devices, Inc. (ADI) thiết kế hoạt động cùng nhau và tập trung vào vai trò chính của công nghệ xử lý biên trong quá trình nâng cấp lặp đi lặp lại của hệ thống.
Giới thiệu về sóng milimet
Trong các hệ thống sóng milimet, mảng máy phát và máy thu được kết nối với mảng ăng ten phân bố theo không gian. Tại một thời điểm cụ thể, một ăng-ten trong mảng phát ra tín hiệu tần số vô tuyến đa hướng (RF) công suất thấp, tần số đơn, được phản xạ bởi đối tượng mục tiêu (Hình 1). Tín hiệu tán xạ ngược được tạo ra bởi sự phản xạ này sẽ được tất cả các ăng-ten trong mảng nhận được và mạch tích hợp (IC) kết nối các ăng-ten thu được thông tin bằng cách đo pha và biên độ của các tín hiệu tán xạ ngược này.
Sơ đồ hệ thống sóng milimet phát anten tuần tự
Hình 1: Trong hệ thống sóng milimet, ăng-ten phát phát liên tục các tín hiệu công suất thấp, tần số đơn và đa hướng. Sau đó, anten thu sẽ đo tán xạ ngược. (Nguồn hình ảnh: Analog Devices, Inc.)
Mỗi ăng-ten phát sẽ gửi tuần tự cùng một tín hiệu và quá trình đo này sẽ được lặp lại cho mỗi lần truyền. Bằng cách lặp lại toàn bộ quá trình trên nhiều tần số trong phạm vi từ 10 GHz đến 40 GHz, hệ thống có thể nắm bắt được sự khác biệt về độ sâu thâm nhập và phản xạ tín hiệu do sự thay đổi tần số của các tín hiệu RF khác nhau gây ra. Độ phân giải của hệ thống phụ thuộc vào số lượng kênh truyền và nhận: ví dụ: máy quét ở sân bay có số lượng kênh lớn để đáp ứng độ phân giải cao cần thiết để phát hiện các vật thể nhỏ như dao cạo râu; Đối với các tình huống mà vũ khí và chất nổ là mục tiêu giám sát chính, việc sử dụng ít kênh hơn có thể vừa giảm chi phí vừa rút ngắn thời gian quét.
Bộ xử lý kết hợp thông tin tán xạ ngược thành ma trận vectơ. Khi các vectơ này được liên kết với tần số và vị trí không gian, mảng đa chiều được tạo ra có thể tạo ra hình ảnh không chỉ nhận dạng vật thể kim loại mà còn phát hiện vật phẩm phi kim loại ẩn giữa và bên dưới lớp quần áo.
Tốc độ quét phụ thuộc vào tốc độ hệ thống xử lý dữ liệu tán xạ ngược, chuyển từ máy phát này sang máy phát khác và quét theo chu kỳ tần số cần thiết. Ví dụ: một hệ thống có 500 thành phần bao phủ dải tần từ 10 GHz đến 40 GHz với bước tăng 50 MHz phải trải qua 300000 chuyển mạch. Các hệ thống sóng milimet được triển khai ngày nay, với khả năng chuyển đổi nhanh, chỉ yêu cầu người được quét duy trì tư thế trong vài giây để tạo ra hình ảnh hiệu quả. Khi tốc độ chuyển đổi trở nên nhanh hơn, trong tương lai, hệ thống sóng milimet thậm chí có thể nhận ra các vật thể đe dọa khi đối tượng đi bộ qua máy dò mà không dừng lại.
Xây dựng hệ thống sóng milimet
Để phát hiện các mối đe dọa tiềm ẩn, đạt được độ phân giải cần thiết và tạo điều kiện quét nhanh, các nhà thiết kế hệ thống sóng milimet phải chọn phần cứng có thể hoạt động cùng nhau. Giải pháp hệ thống sóng milimet tích hợp của ADI bao gồm bộ tổng hợp băng thông rộng vi sóng ADF4368, nhiều IC phát ADAR2001, nhiều IC thu ADAR2004 và bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) AD9083. Mỗi thiết bị sẽ được thảo luận theo trình tự bên dưới (Hình 2).
Tích hợp hình ảnh, máy phát, máy thu và ADC của hệ thống sóng milimet (bấm vào để phóng to)
Hình 2: Một hệ thống sóng milimet hoàn chỉnh kết hợp bộ tổng hợp, máy phát, máy thu và ADC với bộ quản lý nguồn, bộ chuyển mạch và các thành phần logic. (Nguồn hình ảnh: Analog Devices, Inc.)
Chuỗi tín hiệu bắt đầu từ bộ tổng hợp vòng khóa pha băng thông rộng vi sóng (PLL) ADF4368 với bộ tạo dao động điều khiển điện áp tích hợp (VCO) (Hình 3). ADF4368 có thể tạo ra các bước tần số trong phạm vi từ 2,5 GHz đến 10 GHz, với khoảng bước là 12,5 MHz, hoàn toàn nằm trong dải tần hoạt động từ 800 MHz đến 12,8 GHz. Độ biến động của tín hiệu RF một đầu sóng liên tục (CW) nhỏ hơn 30 fsecRMS.
Hình ảnh Bộ tổng hợp băng thông rộng vi sóng ADF4368 của Analog Devices
Hình 3: Bộ tổng hợp băng thông rộng vi sóng ADF4368 với VCO tích hợp có thể cung cấp đầu ra RF CW có độ biến động thấp trong dải tần từ 2,5 GHz đến 10 GHz. (Nguồn hình ảnh: Analog Devices, Inc.)
Công suất tín hiệu đầu ra của ADF4368 là 9 dBm (7,94 mW). Do IC máy phát yêu cầu công suất thấp hơn nên đầu ra của ADF4368 có thể được chia thành bảy kênh, có thể điều khiển tối đa 128 IC máy phát 4 kênh hoặc 512 kênh.
IC phát ADAR2001 (Hình 4) nhận đầu vào từ ADF4368, sau đó nhân, lọc, suy giảm, phân chia và khuếch đại tín hiệu để cung cấp bốn kênh đầu ra ăng-ten với tần số từ 10 GHz đến 40 GHz cho mỗi IC.