可利于提高RF成像分辨率的技術(shù)和方式

簡單的 RF 反射器已能在非常接近的位置以極低的分辨率探測物體的存在。 類似于單像素圖像，可探測物體的存在，但無法辨別形狀、大小、距離、動作、速度、加速度，或者任何其它更詳細(xì)、更確定的信息片段。 這項(xiàng)技術(shù)處于增長階段，正被大量新型應(yīng)用所采納。 例如，用于盲點(diǎn)探測的簡單接近雷達(dá)使得汽車更加安全。 環(huán)繞雷達(dá)起初僅放置在車輛四周的兩三個位置，現(xiàn)在的小汽車已將這種雷達(dá)作為防撞技術(shù)的一部分，并且為了操作方便、安全，還使用了接近探測功能（如在自動升降門操作中）。

但是，這并不止于此。 并排停放的汽車能以更高的分辨率利用這種技術(shù)，并在軟件中構(gòu)建三維模型。 啟發(fā)式算法（類似于 PCB 自動布線）可以找到最佳方法，且伺服反饋運(yùn)動控制可以接管方向盤、制動器和油門。 這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單像素型傳感器的能力，并需要更高分辨率的傳感器或發(fā)生波束調(diào)向（或兩者皆備）。

RF 在成像方面優(yōu)于可見光，且在基于處理器的成像應(yīng)用中，RF 傳感器陣列可以取代或增強(qiáng) CCD 式可見光探測器。 本文將探討可用于更高分辨率 RF成像的技術(shù)。 我們會探討一些技術(shù)和方法，以及相對于視頻技術(shù)的優(yōu)勢和劣勢。

走出陰影

RF 在成像方面優(yōu)于可見光，且在相關(guān)市場和領(lǐng)域中，RF 傳感器和陣列可以取代或增強(qiáng) CCD 式可見光探測器。 在這兩種情況下，一旦建立現(xiàn)實(shí)的有限元“線框圖”，便會執(zhí)行基于處理器的成像增強(qiáng)和分析。

您可能沒有意識到，RF 接近技術(shù)已經(jīng)使用了幾十年，一直在默默地監(jiān)控著陰影中的運(yùn)動。 早期是使用 PIR 運(yùn)動探測器，但是不太可靠。 常常會出現(xiàn)誤報(bào)的情況，因此業(yè)界提出使用雙技術(shù)系統(tǒng)，以通過微波脈沖來探測接近或運(yùn)動中的變化。 PIR 和微波傳感器必須同時(shí)作用，才能最大限度減少誤報(bào)。

硅發(fā)射器和檢測器的開發(fā)使這些技術(shù)得以廣泛部署，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，并可省去昂貴的調(diào)整或校準(zhǔn)花費(fèi)。 早期的 PIR 探測器戰(zhàn)略性地放置在 PCB 上，在世界各地的安全系統(tǒng)中促進(jìn)了運(yùn)動檢測器產(chǎn)品的快速增長。 設(shè)計(jì)人員很快便了解如何補(bǔ)償環(huán)境照明條件（圖 1）。

這里應(yīng)指出的是，現(xiàn)代的單比特 PIR 探測器仍然是一種活躍的可行技術(shù)，且將來亦會很有用。 許多情況下，只需一個 PIR 即可節(jié)省功耗。 當(dāng)觸發(fā)警報(bào)或喚醒條件時(shí)，RF 或視頻或微波傳感器發(fā)射器即會通電。

圖 1：精密單片式傳感器的供貨能力使大規(guī)模量產(chǎn)成為可行。 PIR、CCD 陣列和視頻傳感器均是如此，RF 傳感器也將如此。 請注意，硫化鎘光電池支持環(huán)境光補(bǔ)償。

不同的成像方法

最常見的消費(fèi)型無源成像設(shè)備使用視頻探測器作為低成本傳感器元件，利用高速 DSP 處理技術(shù)在圖像中呈現(xiàn)人眼無法識別的細(xì)節(jié)。 固定的視野或運(yùn)動反射器技術(shù)都可以允許現(xiàn)代的高分辨率圖像傳感器捕捉圖像，并將其傳送到嵌入式處理器、DSP、FPGA 或?qū)Ｓ玫膱D像處理元件（如 TI SN65LVDS324ZQLR）。 象 Cognimem 901-3001 之類輕便的小型視覺傳感器評估和開發(fā)板，亦是開始獲取測試圖像的理想選擇。

然而，視頻傳感器通常是無源的。 IR 發(fā)射器可用于實(shí)現(xiàn)微光圖像采集，甚至可變顏色的發(fā)射器可以突顯出更多細(xì)節(jié)。 然而，更大范圍和更高分辨率的掃描通常需要 RF 或激光。

飛點(diǎn)掃描并不是一項(xiàng)新技術(shù)，但仍然很實(shí)用。 這類似于傳真機(jī)中的一維線掃描器、超市中的條形圖掃描器或二維掃描器（如微型投影機(jī)中使用的掃描器）。 與視頻光柵掃描類似，激光器對視野模式進(jìn)行追蹤，一種簡單的強(qiáng)度探測器會創(chuàng)建視頻信號，該信號可使用顯示系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，或者可以發(fā)送給處理器存儲器進(jìn)行分析。

早期的激光打印機(jī)和掃描器實(shí)際使用基于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)六角形或八角形反射鏡組件來掃描電弧（圖 2）。 最初在一維掃描中，這些強(qiáng)度調(diào)制波束會對硫化鎘鼓充電，在進(jìn)入碳粉部分之前，硫化鎘鼓會將電荷轉(zhuǎn)移到紙上。 同樣地，對此功能應(yīng)用硅工藝產(chǎn)生出數(shù)字光導(dǎo)管技術(shù)，該技術(shù)使用微電子機(jī)械系統(tǒng) (MEM) 在芯片上實(shí)現(xiàn)動鏡。

圖 2：經(jīng)在條形碼閱讀器和激光打印機(jī)使用實(shí)證，支持一維和二維的機(jī)械飛點(diǎn)掃描器可靠、耐用，且適合使用波導(dǎo)式 RF 波束。

飛點(diǎn)掃描使用無強(qiáng)度調(diào)制的穩(wěn)態(tài)波束，以及對發(fā)射器的光波或 RF 波長敏感的探測器。 進(jìn)入探測器的反射信號會產(chǎn)生視頻信號，視頻信號的瞬時(shí)強(qiáng)度表示所掃描表面的反射率。 按照這種方式，系統(tǒng)會通過同步到對應(yīng)于存儲器地址邊界的開始行和結(jié)束行探測器，自動構(gòu)建存儲器中的圖像。 信號返回所花費(fèi)的時(shí)間表示范圍。

動鏡可以按照不同波長（如光或 RF）被反射，且象 Texas Instruments DLP3000FQB 和 DLP4500FQE 這樣的動鏡單片可以分別執(zhí)行 WVGA 和 WXGA 分辨率所需的機(jī)電探測。 我們知道這些零件具備價(jià)格競爭力，因?yàn)殡娨曋圃焐檀笈渴褂眠@些零件。 我們還知道，可以使用表面涂層將表面反射到不同波長，且 RF 波束可以被反射，就像其它形式的電磁能一樣。

可以使用多種視頻開發(fā)和評估系統(tǒng)對這種方法進(jìn)行測試和原型開發(fā)。 請注意，圖像頻譜對于處理器和存儲器來說并不重要；一旦在存儲器中捕捉到圖像，無論源掃描是 IR、UHF、UV，還是伽馬射線，都沒有關(guān)系。 存儲器中的強(qiáng)度調(diào)制呈現(xiàn)仍會反映實(shí)真世界（別無他意）。

另一個要注意的事項(xiàng)是，較低頻率的 RF 比可見光更容易探測更接近的距離。 較低的頻率可以探測相位校準(zhǔn)，而可見光則較難辨別。 基于以上原因，波長較長的 RF 與可見光和基于視頻的方法相比，具有更多的優(yōu)勢。

另外，還要考慮射頻載波上的調(diào)制頻率可能增加價(jià)值。 由于可以輕松獲得校準(zhǔn)點(diǎn)，線性調(diào)頻脈沖模式可以簡化反射時(shí)間的測量。 此外，移頻可以在反射面中拾取共振。 而且，音頻和超聲波調(diào)制可以允許重新使用已開發(fā)的先進(jìn)技術(shù)。

一種好方法

用于超聲波成像的技術(shù)同樣可用于 RF 成像。 在這種情況下，發(fā)射器會引導(dǎo)波束方向，形成一個帶有超聲調(diào)制信號的路徑，然后接收器拾起路徑，并將數(shù)據(jù)傳遞給可以相當(dāng)快的速度提取細(xì)節(jié)的高集成處理器。

有多種現(xiàn)有單晶片可提供幫助，包括象 TI LM96570SQE/NOPB 可配置發(fā)射波束形成器這樣的波束調(diào)向裝置（圖 3）。 高達(dá) 80 MHz 的脈沖速率可以在單個通道上或同時(shí)在所有八個通道上啟動，這些通道具有高達(dá) 64 位模式以及 0.78 納秒定時(shí)分辨率。 超聲波脈沖器的一個很好的例子是 Microchip MD1712FG-G，它可驅(qū)動兩個通道產(chǎn)生五級波形。

圖 3：來自高級、集成式成像元件的超聲波信號可用作 RF 上的調(diào)制信號，繪制出 RF-scape 視場。 現(xiàn)有可用的輔助成像芯片可簡化后端圖象處理的設(shè)計(jì)。

同樣，STMicroelectronics STHV800L 脈沖發(fā)生器具有高達(dá) 300 MHz 的帶寬，雖然高壓壓電驅(qū)動電路可與壓電變送器配合工作，但如果這些零件承載 90％ 的負(fù)荷，那么為 RF 級設(shè)計(jì)一個接口是比較簡單的。 8 通道 STEVAL-IME009V1 是一種了解、測試和試驗(yàn)該技術(shù)的快速便捷的方法。

在這方面，可以使用一些超聲成像設(shè)備快速進(jìn)行原型開發(fā)，并輕松耦合到 RF 級。 一旦您能夠在存儲器中構(gòu)建圖像，系統(tǒng)便會以更高的分辨率完成大量 RF 成像的基礎(chǔ)工作。

豎起天線

在不移動零件的情況下也有多種波束調(diào)向技術(shù)可以使用，此時(shí)采用可允許定向微調(diào)波束控制的靈敏度或方向的天線元件。 反過來，這樣就可允許設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn) RF 飛點(diǎn)掃描發(fā)射器以及高增益定向編程天線。

當(dāng)存在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以使用另一種技術(shù)來檢測運(yùn)動和移動。 這稱為斷層運(yùn)動檢測，當(dāng)無線電波在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間傳遞時(shí)，這種技術(shù)便能夠感應(yīng)到這些干擾。 這些系統(tǒng)能夠在完整區(qū)域內(nèi)進(jìn)行檢測，因?yàn)樗鼈兛梢源┻^墻壁和障礙物進(jìn)行感應(yīng)。

可調(diào)整 RF 發(fā)射器的頻率，使其穿透霧氣（基于視頻的系統(tǒng)的限制）并穿透表面（如 RF 探測器），以在眾多區(qū)域執(zhí)行更多活動。