Erhöhung der Auflösung von HF-Bildgebung

Einfache HF-Reflektoren sind in der Lage, das Vorhandensein eines Objekts in der Nähe mit äußerst niedriger Auflösung zu erfassen. Wie in einem 1-Pixel-Bild ist es möglich zu erkennen, dass etwas vorhanden ist, es ist aber unmöglich, Form, Größe, Abstand, Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder andere Information zu erhalten, die mehr Details und eine höhere Auflösung erfordern. Diese Technologie wächst und wird in einer Vielzahl von neuen Anwendungen eingesetzt. Einfache Abstandsradars für die Totwinkel-Erkennung, zum Beispiel, haben das Automobil sicherer gemacht. Zunächst an nur wenigen Stellen des Fahrzeugs platziert, verwenden Autos jetzt ein Rundum-Radar als Teil der Kollisionsvermeidungstechnologie und nutzen auch Näherungsdetektion für Komfort und Sicherheit (zum Beispiel bei automatisch öffnenden Garagentoren).

Das ist allerdings noch nicht das Ende. Beim Einparken parallel zur Fahrtrichtung können Fahrzeuge diese Technologie mit höherer Auflösung nutzen und mithilfe von Software 3D-Modelle erstellen. Ein heuristischer Algorithmus (vergleichbar mit PCB-Navigation) sucht den besten Ansatz und die Servofeedback-Bewegungssteuerung übernimmt Lenkrad, Bremsen und Gaspedal. Dies geht weit über die 1-Pixel-Fähigkeiten von Sensoren hinaus und erfordert entweder Sensoren mit höherer Auflösung oder Strahllenkung (oder beides).

HF bietet im Vergleich zu sichtbarem Licht Vorteile in Bezug auf die Bildgebung. HF-Sensorarrays können zudem CCD-Detektoren für sichtbares Licht ersetzen oder verbessern, wenn es um prozessorbasierte Bildgebungsanwendungen geht. In diesem Artikel werden Technologien betrachtet, die für die HF-Bildgebung mit höherer Auflösung verwendet werden. Es werden verschiedene Methoden und Ansätze sowie auch die Vor- und Nachteile im Vergleich zur Videotechnik erläutert. Alle in diesem Artikel erwähnten Komponenten, Datenblätter, Anleitungen und Entwicklungssysteme sind auf der Website von DigiKey verfügbar.

Aus dem Schatten

HF bietet im Vergleich zu sichtbarem Licht Vorteile in Bezug auf die Bildgebung. HF-Sensoren und -Arrays können in Märkten und Bereichen zudem CCD-Detektoren für sichtbares Licht ersetzen oder verbessern, wenn dies sinnvoll ist. In beiden Fällen wird die prozessorbasierte Bildgebungsverbesserung und -analyse initialisiert, wenn ein Modell realer finiter Elemente hergestellt wurde.

Sie wissen vielleicht nicht, dass HF-basierte Näherungstechnologie bereits seit Jahrzehnten im Einsatz ist und schon immer zur Überwachung von Bewegungen im Dunkeln genutzt wurde. Die ersten PIR-Bewegungsdetektoren funktionierten zwar, waren aber eher „wankelmütig“. Es kam häufig zu Fehlalarmen, was zur Entwicklung Systemen mit dualer Technologie führte, in denen Mikrowellenimpulse für die Erkennung von Änderungen in der Nähe oder von Bewegungen eingesetzt wurden. PIR- und Mikrowellensensoren mussten gemeinsam ausgelöst werden, um das Risiko von Fehlalarmen zu vermeiden.

Der umfassende Einsatz dieser Technologien wurde durch die Entwicklung von Silizium-Sendern und -Detektoren ermöglicht, da damit eine Massenproduktion möglich und die Forderung nach kostenintensiven Anpassungen oder Kalibrierungen vermieden wurden. Die ersten PIR-Detektoren wurden strategisch auf einer PCB platziert und ermöglichten eine schnelle Entwicklung von Bewegungsdetektorprodukten in Sicherheitssystemen auf der ganzen Welt. Designer fanden auch bald eine Möglichkeit, Umgebungslichtbedingungen zu kompensieren (Abbildung 1).

Hierbei ist anzumerken, dass moderne Einzel-Bit-PIR-Detektoren immer noch eine nützliche und umsetzbare Technologie darstellen und auch in der Zukunft zum Einsatz kommen werden. Um Strom einzusparen, muss in vielen Fällen nur PIR aktiviert werden. Bei Eintreten einer Alarm- oder Aufwachbedingung können HF-, Video- oder Mikrowellensensorsender aktiviert werden.

Abbildung 1: Dank präziser monolithischer Sensoren wird die Massenproduktion machbar. Dies galt bereits bei PIR, CCD-Arrays und Videosensoren und wird auch auf HF-Sensoren zutreffen. Besonders zu beachten ist die Kadmiumsulfid-Fotozelle, die die Kompensierung von Umgebungslicht ermöglicht.

Verschiedene Ansätze für die Bildgebung

Die häufigsten Passivbildgebungsgeräte für Verbraucher nutzen Videodetektoren als kostengünstige Sensorelemente und damit die Vorteile von DSP-Verarbeitungsmethoden mit hoher Geschwindigkeit für die Wiedergabe von Einzelheiten in einem Bild, das selbst das menschliche Auge nicht erkennen kann. Ein festes Sichtfeld oder die bewegliche Reflektortechnologie ermöglicht es modernen und hochauflösenden Bildsensoren, ein Bild zu erfassen und es an einen eingebetteten Prozessor, DSP, FPGA oder an ein dediziertes Bildverarbeitungselement wie dem TI SN65LVDS324ZQLR zu übertragen. Eine kleine und nützliche Evaluierungs- und Entwicklungskarte mit Sichtsensor wie die Cognimem 901-3001 kann problemlos für die ersten Aufnahmen von Testbildern verwendet werden.

Videosensoren sind dagegen eher passiv. IR-Sender können für eine Bilderfassung bei schlechten Lichtverhältnissen verwendet werden und selbst variable Farbquellen können mehr Details darstellen. Die Erfassung mit einem größeren Bereich und einer höheren Auflösung erfordert jedoch in der Regel HF oder Laser.

Die Lichtpunktabtasttechnologie ist nicht neu, kommt aber noch häufig zum Einsatz. Sie ähnelt 1D-Zeilenscannern in Faxgeräten, Strichcodescannern in einem Supermarkt oder 2D-Scannern, die beispielsweise in einem Pico-Projektor zum Einsatz kommen. Wie beim Video-Raster-Scan tastet der Laser ein Feld eines Sichtmusters ab, und ein einfacher Intensitätsdetektor erstellt ein Videosignal, das an ein Ausgabesystem ausgerichtet oder zur Analyse in den Prozessspeicher gesendet werden kann.

Erste Laserdrucker und Scanner verwendeten motorbasierte, rotierende hexagonale oder oktagonale Spiegelbaugruppen zum Scannen eines Bogens (Abbildung 2). Zunächst in 1D, luden diese intensitätsmodulierte Strahlen eine Kadmiumsulfid-Trommel, die die Ladung auf Papier übertrug bevor dieses in den Toner-Bereich überging. Durch Anwendung siliziumbasierter Prozesse in dieser Funktion wurde eine Digitallichtleiter-Technologie entwickelt, in der Micro Electronic Mechanical Systems (MEMs) zur Umsetzung beweglicher Spiegel auf einem Chip eingesetzt werden.

Abbildung 2: Mechanische Lichtpunkt-Scanner für 1 und 2 Dimensionen können zuverlässig und robust in Strichcode-Lesern und Laserdruckern eingesetzt und weiter für die Verwendung von wellengeführten HF-Strahlen angepasst werden.

Lichtpunkt-Scanner nutzen einen stationären Strahl ohne Intensitätsmodulation und einen Detektor, der optische oder HF-Wellenlängen des Senders aufnehmen kann. Das reflektierte Signal, das in den Detektor eintritt, erstellt ein Videosignal, dessen sofortige Intensität den Reflexionsgrad der gescannten Oberfläche darstellt. So wird ein Bild automatisch im Speicher erstellt, indem eine Synchronisierung mit Zeilenbeginn- und Zeilenenddetektoren erfolgt, die den Speicheradressengrenzen entsprechen. Der Zeitraum, den das Signal für die Ausgabe benötigt, stellt den Bereich dar.

Bewegliche Spiegel können verschiedene Wellenlängen wie Licht oder HF reflektieren. Monolithische Komponenten mit beweglichen Spiegeln wie der DLP3000FQB und der DLP4500FQE von Texas Instruments führen die elektromechanischen Deflexionen durch, die für WVGA- bzw. WXGA-Auflösungen erforderlich sind. Wir wissen, dass diese Teile preisgünstig sein können, da sie von TV-Herstellern in hohem Volumen verwendet werden. Wir wissen auch, dass Oberflächenbeschichtungen verwendet werden können, um die Oberfläche an die Reflexion verschiedener Wellenlängen anzupassen. HF-Strahlen können genau wie andere Formen elektromagnetischer Energie reflektiert werden.

Verschiedene Videoentwicklungs- und Evaluierungssysteme können zum Testen und zur Entwicklung von Prototypen für diesen Ansatz verwendet werden. Hierbei gilt zu beachten, dass das Bildspektrum für Prozessoren und Speicher nicht von Bedeutung ist. Wenn ein Bild im Speicher erfasst wurde, ist es egal, ob die Quelle IR, UHF, UV oder Gamma-Strahlen waren. Die intensitätsmodulierte Darstellung im Speicher stellt immer noch die Realität dar.

Weiterhin ist zu beachten, dass Niederfrequenz-HF die Erkennung einer größeren Nähe leichter machen als sichtbares Licht. Niedrigere Frequenzen können Phasenanpassungen erkennen, wohingegen sichtbares Licht deutlich schwieriger zu erkennen ist. Hier sind HF mit längeren Wellenlängen im Gegensatz zu sichtbarem Licht und videobasierten Ansätzen von Vorteil.

Bedenken Sie zudem, dass auf den HF-Träger modulierte Frequenzen weitere Vorteile bringen können. Chirp-Muster können Reflexionszeit-Messungen vereinfachen, da Anpassungspunkte leicht aufgenommen werden können. Durch die Verschiebung von Frequenzen können zudem Resonanzen auf der reflektierenden Oberfläche aufgenommen werden. Audio- und Ultraschall-Modulationen stellen weiterhin eine neue Verwendung der fortschrittlichen Technologie dar, die bereits verfügbar ist.

Ein solider Ansatz

Bei der HF-Bildgebung kann dieselbe Technologie verwendet werden wie für die Ultraschall-Bildgebung. In diesem Fall leiten Sender einen Strahl so, dass ein Pfad mit ultraschallmodulierten Signalen bedeckt wird. Empfänger nehmen sie auf und leiten die Daten an hochintegrierte Prozessoren weiter, die Einzelheiten sehr schnell extrahieren können.

Es sind verschiedene monolithische Komponenten verfügbar, die für die Integration der Strahlenführung verwendet werden können, z. B. der konfigurierbare Übertragungsstrahlformer LM96570SQE/NOPB von TI (Abbildung 3). Impulsraten von bis zu 80 MHz können auf einzelnen oder allen acht Kanälen gleichzeitig mit bis zu 64-Bit-Mustern und 0,78 ns Zeitauflösung ausgegeben werden. Ein gutes Beispiel für einen Ultraschall-Impulsgeber ist der Microchip MD1712FG-G, der zwei Kanäle steuert, um Wellenformen auf 5 Ebenen zu erzeugen.

Abbildung 3: Ultraschallsignale von erweiterten und integrierten Bildgebungskomponenten können als modulierte Signale in HF verwendet werden, um ein HF-Sichtfeld zu erstellen. Die bereits verfügbaren zugehörigen Bildgebungschips vereinfachen die Gestaltung der Backend-Bildverarbeitung.

Der Impulsgeber STHV800L von STMicroelectronics bietet zudem eine Bandweite von bis zu 300 MHz, und obwohl die Piezo-Antriebsschaltkreise für hohe Spannungen für die Kombination mit Piezo-Wandlern ausgelegt sind, kann sich die Gestaltung einer Schnittstelle für HF-Stufen als vergleichsweise einfach erweisen, wenn diese Bauteile 90 Prozent der Arbeit übernehmen. Die STEVAL-IME009V1 mit 8 Kanälen bietet eine schnelle und einfache Möglichkeit, diese Technologie zu erlernen, zu testen und damit zu experimentieren.

In dieser Hinsicht können mehrere Ultraschall-Bildgebungsgeräte für eine schnelle Erstellung von Prototypen und für eine einfache Anbindung an HF-Stufen verwendet werden. Wenn Sie erst einmal ein Bild im Speicher erstellt haben, sind die meisten Grundlagen für die HF-Bildgebung mit höheren Auflösungen bereits gelegt.

Antennen nach oben

Verschiedene andere Strahllenkungsmethoden können zudem ohne bewegliche Teile eingesetzt werden. Stattdessen kommen Antennenelemente zum Einsatz, die eine richtungsgesteuerte Empfindlichkeit oder Ausrichtung der Strahlsteuerung zulassen. Dies ermöglicht wiederum die Gestaltung und Umsetzung eines HF-Senders für einen Lichtpunktsensor und eine leistungsstarke Antenne mit Richtungsprogrammierung.

In Mesh-Netzwerken kann eine andere Methode verwendet werden, um Bewegungen zu erkennen. Dabei handelt es sich um eine tomographische Bewegungserkennung, die Störungen in Funkwellen erkennt, die zwischen Knoten eines Mesh-Netzwerks versendet werden. Diese Systeme ermöglichen eine Erkennung über komplette Bereiche, weil sie sich nicht von Wänden und Hindernissen stören lassen.

In vielen dieser Bereiche sind mehr Aktivitäten zu erwarten, da HF-Senderfrequenzen so eingestellt werden können, dass sie bei Nebel funktionieren (was bei videobasierten Systemen nur eingeschränkt möglich ist) und Oberflächen durchdringen können (z. B. ein HF-Balkensucher).

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktseiten auf der DigiKey-Website.