Les systèmes d'imagerie à ondes millimétriques (mmWave) deviennent de plus en plus populaires lors des contrôles de sécurité des bâtiments publics, des sites sportifs et des aéroports. Ces systèmes sont capables de détecter les matières dangereuses métalliques et non métalliques et de signaler leur emplacement dans la zone de numérisation, aidant ainsi les professionnels de la sécurité à localiser et à identifier plus rapidement les éléments suspects. Cet article explorera les principes fondamentaux de l'imagerie à ondes millimétriques, expliquera comment les composants de la solution à ondes millimétriques conçue par Analog Devices, Inc. (ADI) fonctionnent ensemble et se concentrera sur le rôle clé de la technologie de traitement de pointe dans la mise à niveau itérative du système.
Introduction à l'onde millimétrique
Dans les systèmes à ondes millimétriques, les réseaux émetteurs et récepteurs sont connectés à un réseau d’antennes spatialement réparties. À un moment précis, une antenne du réseau émet des signaux radiofréquences (RF) omnidirectionnels à fréquence unique, de faible puissance, qui sont réfléchis par l'objet cible (Figure 1). Le signal rétrodiffusé généré par cette réflexion sera reçu par toutes les antennes du réseau, et le circuit intégré (IC) connectant les antennes obtient des informations en mesurant la phase et l'amplitude de ces signaux rétrodiffusés.
Diagramme schématique du système à ondes millimétriques pour les antennes d'émission en séquence
Figure 1 : Dans un système à ondes millimétriques, l'antenne d'émission diffuse séquentiellement des signaux de faible puissance, à fréquence unique et omnidirectionnels. Ensuite, l’antenne de réception mesure la rétrodiffusion. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)
Chaque antenne émettrice enverra le même signal séquentiellement, et ce processus de mesure sera répété pour chaque transmission. En répétant l'ensemble du processus sur plusieurs fréquences comprises entre 10 GHz et 40 GHz, le système peut capturer les différences de profondeur de pénétration et de réflexion du signal provoquées par les variations de fréquence des différents signaux RF. La résolution du système dépend du nombre de canaux d'émission et de réception : par exemple, les scanners d'aéroport disposent d'un grand nombre de canaux pour répondre à la haute résolution requise pour détecter de petits objets tels que des rasoirs ; Pour les scénarios dans lesquels les armes et les explosifs sont les principales cibles de surveillance, l’utilisation d’un nombre réduit de canaux peut à la fois réduire les coûts et raccourcir le temps d’analyse.
Le processeur combine les informations de rétrodiffusion dans une matrice vectorielle. Lorsque ces vecteurs sont associés à la fréquence et à la position spatiale, le réseau multidimensionnel généré peut générer des images qui non seulement reconnaissent les objets métalliques, mais détectent également les objets non métalliques cachés entre et sous les couches de vêtements.
La vitesse de balayage dépend de la vitesse à laquelle le système traite les données de rétrodiffusion, passe d'un émetteur à l'autre et scanne cycliquement la fréquence requise. Par exemple, un système comportant 500 composants couvrant la gamme de 10 GHz à 40 GHz par incréments de 50 MHz doit subir 300 000 commutations. Les systèmes à ondes millimétriques déployés aujourd'hui, avec leur capacité de commutation rapide, nécessitent seulement que la personne numérisée maintienne une posture pendant quelques secondes pour générer des images efficaces. À mesure que la vitesse de commutation s'accélère, à l'avenir, les systèmes à ondes millimétriques pourront même reconnaître des objets menaçants lorsque le sujet traverse le détecteur à pied sans s'arrêter.
Construire un système à ondes millimétriques
Afin de détecter les menaces potentielles, d'atteindre la résolution requise et de faciliter une analyse rapide, les concepteurs de systèmes à ondes millimétriques doivent choisir du matériel capable de fonctionner ensemble. La solution de système à ondes millimétriques intégrée d'ADI comprend un synthétiseur haut débit micro-ondes ADF4368, plusieurs circuits intégrés d'émetteur ADAR2001, plusieurs circuits intégrés de récepteur ADAR2004 et un convertisseur analogique-numérique (CAN) AD9083. Chaque appareil sera discuté dans l’ordre ci-dessous (Figure 2).
Intégrateur d'images de système à ondes millimétriques, émetteur, récepteur et ADC intégrés (cliquez pour agrandir)
Figure 2 : Un système complet à ondes millimétriques combine un synthétiseur, un émetteur, un récepteur et un CAN avec une gestion de l'alimentation, des commutateurs et des composants logiques. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)
La chaîne de signaux part du synthétiseur à boucle à verrouillage de phase (PLL) à large bande micro-ondes ADF4368 avec un oscillateur contrôlé en tension (VCO) intégré (Figure 3). L'ADF4368 peut générer des pas de fréquence dans la plage de 2,5 GHz à 10 GHz, avec un intervalle de pas de 12,5 MHz, entièrement dans sa bande de fréquences de fonctionnement de 800 MHz à 12,8 GHz. La gigue de son signal RF asymétrique à onde continue (CW) est inférieure à 30 fsecRMS.
Image du synthétiseur haut débit micro-ondes ADF4368 d'Analog Devices
Figure 3 : Le synthétiseur haut débit micro-ondes ADF4368 avec VCO intégré peut fournir une sortie RF CW à faible gigue dans la plage de fréquences de 2,5 GHz à 10 GHz. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)
La puissance du signal de sortie de l'ADF4368 est de 9 dBm (7,94 mW). En raison de la faible puissance requise par le CI émetteur, la sortie de l'ADF4368 peut être divisée en sept canaux, qui peuvent piloter jusqu'à 128 CI émetteurs à 4 canaux ou 512 canaux.
Le CI émetteur ADAR2001 (Figure 4) reçoit l'entrée de l'ADF4368, puis multiplie, filtre, atténue, divise et amplifie le signal pour fournir quatre canaux de sortie d'antenne avec des fréquences comprises entre 10 GHz et 40 GHz pour chaque CI.