提高RF成像的分辨率

提高RF成像的分辨率简单的RF反射器已能在非常接近的位置以极低的分辨率探测物体的存在。类似于单像素图像，可探测物体的存在，但无法辨别形状、大小、距离、动作、速度、加速度，或者任何其它更详细、更确定的信息片段。这项技术处于增长阶段，正被大量新型应用所采纳。例如，用于盲点探测的简单接近雷达使得汽车更加安全。环绕雷达起初仅放置在车辆四周的两三个位置，现在的小汽车已将这种雷达作为防撞技术的一部分，并且为了操作方便、安全，还使用了接近探测功能（如在自动升降门操作中）。但是，这并不止于此。并排停放的汽车能以更高的分辨率利用这种技术，并在软件中构建三维模型。启发式算法（类似于PCB自动布线）可以找到最佳方法，且伺服反馈运动控制可以接管方向盘、制动器和油门。这远远超出了单像素型传感器的能力，并需要更高分辨率的传感器或发生波束调向（或两者皆备）。RF在成像方面优于可见光，且在基于处理器的成像应用中，RF传感器阵列可以取代或增强CCD式可见光探测器。本文将探讨可用于更高分辨率RF成像的技术。我们会探讨一些技术和方法，以及相对于视频技术的优势和劣势。本文所引用的所有零件、规格书、指南和开发系统均可以在Digi-Key网站找到。走出阴影RF在成像方面优于可见光，且在相关市场和领域中，RF传感器和阵列可以取代或增强CCD式可见光探测器。在这两种情况下，一旦建立现实的有限元“线框图”，便会执行基于处理器的成像增强和分析。您可能没有意识到，RF接近技术已经使用了几十年，一直在默默地监控着阴影中的运动。早期是使用PIR运动探测器，但是不太可靠。常常会出现误报的情况，因此业界提出使用双技术系统，以通过微波脉冲来探测接近或运动中的变化。PIR和微波传感器必须同时作用，才能最大限度减少误报。硅发射器和检测器的开发使这些技术得以广泛部署，从而实现大规模量产，并可省去昂贵的调整或校准花费。早期的PIR探测器战略性地放置在PCB上，在世界各地的安全系统中促进了运动检测器产品的快速增长。设计人员很快便了解如何补偿环境照明条件（图1）。这里应指出的是，现代的单比特PIR探测器仍然是一种活跃的可行技术，且将来亦会很有用。许多情况下，只需一个PIR即可节省功耗。当触发警报或唤醒条件时，RF或视频或微波传感器发射器即会通电。图1：精密单片式传感器的供货能力使大规模量产成为可行。PIR、CCD阵列和视频传感器均是如此，RF传感器也将如此。请注意，硫化镉光电池支持环境光补偿。不同的成像方法最常见的消费型无源成像设备使用视频探测器作为低成本传感器元件，利用高速DSP处理技术在图像中呈现人眼无法识别的细节。固定的视野或运动反射器技术都可以允许现代的高分辨率图像传感器捕捉图像，并将其传送到嵌入式处理器、DSP、FPGA或专用的图像处理元件（如TISN65LVDS324ZQLR）。象Cognimem901-3001之类轻便的小型视觉传感器评估和开发板，亦是开始获取测试图像的理想选择。然而，视频传感器通常是无源的。IR发射器可用于实现微光图像采集，甚至可变颜色的发射器可以突显出更多细节。然而，更大范围和更高分辨率的扫描通常需要RF或激光。飞点扫描并不是一项新技术，但仍然很实用。这类似于传真机中的一维线扫描器、超市中的条形图扫描器或二维扫描器（如微型投影机中使用的扫描器）。与视频光栅扫描类似，激光器对视野模式进行追踪，一种简单的强度探测器会创建视频信号，该信号可使用显示系统进行调整，或者可以发送给处理器存储器进行分析。早期的激光打印机和扫描器实际使用基于电机的旋转六角形或八角形反射镜组件来扫描电弧（图2）。最初在一维扫描中，这些强度调制波束会对硫化镉鼓充电，在进入碳粉部分之前，硫化镉鼓会将电荷转移到纸上。同样地，对此功能应用硅工艺产生出数字光导管技术，该技术使用微电子机械系统(MEM)在芯片上实现动镜。图2：经在条形码阅读器和激光打印机使用实证，支持一维和二维的机械飞点扫描器可靠、耐用，且适合使用波导式RF波束。飞点扫描使用无强度调制的稳态波束，以及对发射器的光波或RF波长敏感的探测器。进入探测器的反射信号会产生视频信号，视频信号的瞬时强度表示所扫描表面的反射率。按照这种方式，系统会通过同步到对应于存储器地址边界的开始行和结束行探测器，自动构建存储器中的图像。信号返回所花费的时间表示范围。动镜可以按照不同波长（如光或RF）被反射，且象TexasInstrumentsDLP3000FQB和DLP4500FQE这样的动镜单片可以分别执行WVGA和WXGA分辨率所需的机电探测。我们知道这些零件具备价格竞争力，因为电视制造商大批量使用这些零件。我们还知道，可以使用表面涂层将表面反射到不同波长，且RF波束可以被反射，就像其它形式的电磁能一样。可以使用多种视频开发和评估系统对这种方法进行测试和原型开发。请注意，图像频谱对于处理器和存储器来说并不重要；一旦在存储器中捕捉到图像，无论源扫描是IR、UHF、UV，还是伽马射线，都没有关系。存储器中的强度调制呈现仍会反映实真世界（别无他意）。另一个要注意的事项是，较低频率的RF比可见光更容易探测更接近的距离。较低的频率可以探测相位校准，而可见光则较难辨别。基于以上原因，波长较长的RF与可见光和基于视频的方法相比，具有更多的优势。另外，还要考虑射频载波上的调制频率可能增加价值。由于可以轻松获得校准点，线性调频脉冲模式可以简化反射时间的测量。此外，移频可以在反射面中拾取共振。而且，音频和超声波调制可以允许重新使用已开发的先进技术。一种好方法用于超声波成像的技术同样可用于RF成像。在这种情况下，发射器会引导波束方向，形成一个带有超声调制信号的路径，然后接收器拾起路径，并将数据传递给可以相当快的速度提取细节的高集成处理器。有多种现有单晶片可提供帮助，包括象TILM96570SQE/NOPB可配置发射波束形成器这样的波束调向装置（图3）。高达80MHz的脉冲速率可以在单个通道上或同时在所有八个通道上启动，这些通道具有高达64位模式以及0.78纳秒定时分辨率。超声波脉冲器的一个很好的例子是MicrochipMD1712FG-G，它可驱动两个通道产生五级波形。图3：来自高级、集成式成像元件的超声波信号可用作RF上的调制信号，绘制出RF-scape视场。现有可用的辅助成像芯片可简化后端图象处理的设计。同样，STMicroelectronicsSTHV800L脉冲发生器具有高达300MHz的带宽，虽然高压压电驱动电路可与压电变送器配合工作，但如果这些零件承载90％的负荷，那么为RF级设计一个接口是比较简单的。8通道STEVAL-IME009V1是一种了解、测试和试验该技术的快速便捷的方法。在这方面，可以使用一些超声成像设备快速进行原型开发，并轻松耦合到RF级。一旦您能够在存储器中构建图像，系统便会以更高的分辨率完成大量RF成像的基础工作。竖起天线在不移动零件的情况下也有多种波束调向技术可以使用，此时采用可允许定向微调波束控制的灵敏度或方向的天线元件。反过来，这样就可允许设计并实现RF飞点扫描发射器以及高增益定向编程天线。当存在网状网