Amélioration de la résolution de l'imagerie RF

De simples réflecteurs RF sont capables de détecter la présence d'un objet à proximité avec une résolution extrêmement basse. Comme une image d'un pixel, il est possible de détecter une présence, mais il est impossible de distinguer la forme, la taille, la distance, le mouvement, la vitesse, l'accélération ou toute autre information plus détaillée et déterminée. Cette technologie s'étend et elle est adoptée dans une variété de nouvelles applications. Un simple radar de proximité pour la détection d'angle mort permet de rendre la conduite plus sûre. Les véhicules étaient initialement dotés de radars à seulement deux emplacements. Les automobiles sont maintenant équipées d'un radar périphérique pour la technologie anticollision, et elles utilisent également la détection de proximité aussi bien pour le côté pratique que pour la sécurité (hayon automatique par exemple).

Cependant, cette technologie va encore plus loin. Cette technologie peut être utilisée pour le stationnement des véhicules en créneau, dans une résolution plus haute et avec composition d'un modèle 3D dans le logiciel. Un algorithme heuristique (similaire au routage automatique sur une carte à circuit imprimé) détermine la meilleure approche, et la servocommande de mouvement de rétroaction prend le contrôle du volant, des freins et de l'accélérateur. Cela dépasse largement la capacité d'un capteur à pixel unique et nécessite des capteurs de plus haute résolution ou une orientation du faisceau (ou les deux).

La RF offre des avantages par rapport à la lumière visible en ce qui concerne l'imagerie, et les matrices de capteurs RF peuvent remplacer ou améliorer les détecteurs de lumière visible de type CCD pour les applications d'imagerie basées sur des processeurs. Cet article s'intéresse aux technologies pouvant être utilisées pour l'imagerie RF de plus haute résolution. Il analyse les techniques et les approches, ainsi que leurs avantages et leurs inconvénients par rapport aux techniques vidéo. Tous les composants, fiches techniques, didacticiels et systèmes de développement mentionnés ici sont disponibles sur le site Web de DigiKey.

De l'ombre à la lumière

La RF offre des avantages par rapport à la lumière visible en ce qui concerne l'imagerie, et les capteurs et matrices RF peuvent remplacer ou améliorer les détecteurs de lumière visible de type CCD sur les marchés et les secteurs pertinents. Dans les deux cas, l'amélioration et l'analyse de l'imagerie basées sur un processeur aura lieu une fois la structure fonctionnelle par éléments finis de la réalité établie.

Vous ne savez peut-être pas que la technologie de proximité RF est utilisée depuis des dizaines d'années pour surveiller silencieusement nos mouvements dans l'ombre. Les premiers détecteurs de mouvement à infrarouges passifs (PIR) fonctionnaient, mais n'étaient pas complètement fiables. Les fausses alertes étant courantes, et l'industrie a créé des systèmes à double technologie utilisant des impulsions hyperfréquences pour détecter les changements dans la proximité ou le mouvement. Les capteurs PIR et hyperfréquences doivent se déclencher en même temps pour minimiser les fausses alertes.

Le développement des émetteurs et des détecteurs au silicium a rendu possible le déploiement à grande échelle de ces technologies, en permettant la production de masse et en éliminant les besoins d'étalonnages et d'alignements coûteux. Les premiers détecteurs PIR placés stratégiquement sur un circuit imprimé ont entraîné une croissance rapide des produits de détection de mouvement dans les systèmes de sécurité à l'échelle mondiale. Les concepteurs ont vite appris comment compenser les conditions de luminosité ambiante (Figure 1).

Il est important de noter que les détecteurs PIR à un seul bit modernes sont toujours une technologie prospère et fiable et continueront d'être utiles à l'avenir. Pour des économies d'énergie, seul un PIR doit être actif dans la plupart des cas. Quand une condition d'alerte ou de déclenchement survient, les émetteurs de capteurs RF, vidéo ou hyperfréquences peuvent s'activer.

Figure 1 : La disponibilité des capteurs monolithiques précis rend la production de masse possible. C'était également vrai pour les PIR, les matrices CCD et les capteurs vidéo, et ce sera le cas pour les capteurs RF. Remarquez la cellule photo en sulfure de cadmium pour permettre la compensation de lumière ambiante.

Différentes approches de l'imagerie

Les dispositifs d'imagerie passive grand public les plus courants utilisent des détecteurs vidéo comme éléments de capteur économiques, en tirant parti des techniques de traitement DSP haute vitesse pour révéler les détails d'une image que même l'œil humain ne peut pas voir. Une technologie avec des champs de vision fixes ou des réflecteurs mobiles peut permettre à un capteur d'images haute résolution moderne de capturer une image et de la transférer vers un processeur embarqué, un DSP, un FPGA ou un élément de traitement d'images dédié comme le SN65LVDS324ZQLR de TI. Une carte d'évaluation et de développement de capteur de vision petite et pratique comme le 901-3001 de Cognimem peut constituer un bon départ pour commencer à acquérir des images tests.

Les capteurs vidéo, cependant, sont généralement passifs. Les émetteurs IR peuvent être utilisés pour permettre l'acquisition d'images à faible luminosité, et des émetteurs à couleur variable peuvent aussi faire ressortir plus de détails. Cependant, le balayage avec une plage ou une résolution améliorée nécessite généralement la RF ou des lasers.

La technologie de scanner à spot mobile n'est pas nouvelle, mais elle est toujours d'actualité. Cette technologie est similaire aux scanners 1D dans les télécopieurs et les lecteurs de codes-barres dans les supermarchés, ou aux scanners 2D comme ceux utilisés dans un picoprojecteur. Comme un scan de trame vidéo, les lasers tracent un modèle de champ de vision, et un simple détecteur d'intensité crée un signal vidéo qui peut être aligné avec un système d'affichage ou envoyé à la mémoire du processeur pour analyse.

Les premiers scanners et imprimantes laser utilisaient des ensembles de miroirs hexagonaux ou octogonaux rotatifs sur moteur pour scanner un arc (Figure 2). Originellement à une dimension, ces faisceaux à modulation d'intensité chargeaient un tambour de sulfure de cadmium qui pouvait transférer la charge au papier avant d'entrer dans une section de toner. Une fois encore, l'application des processus silicium à cette fonction a permis à la technologie de conduit de lumière numérique utilisée par les microsystèmes électromécaniques (MEMS) d'implémenter des miroirs mobiles sur une puce.

Figure 2 : Les scanners à spot mobile mécaniques à une et deux dimensions se sont révélés fiables et robustes dans les lecteurs de codes-barres et les imprimantes laser, et ils peuvent être adaptés pour utiliser des faisceaux RF à guide d'onde.

Les scanners à spot mobile utilisent un faisceau stable sans modulation d'intensité et un détecteur sensible à la longueur d'onde optique ou RF de l'émetteur. Le signal réfléchi entrant dans le détecteur crée un signal vidéo dont l'intensité instantanée représente la réflectivité de la surface scannée. De cette manière, une image est automatiquement créée dans la mémoire en synchronisant les détecteurs en début et en fin de ligne, correspondant aux limites de l'adresse de mémoire. Le temps requis pour le retour du signal indique l'étendue.

Les miroirs mobiles peuvent réfléchir différentes longueurs d'onde comme la lumière ou la RF, et les miroirs mobiles monolithiques comme le DLP3000FQB et le DLP4500FQE de Texas Instruments peuvent effectuer la déviation électromécanique requise pour les résolutions WVGA et WXGA respectivement. Nous savons que ces composants peuvent être obtenus à un prix compétitif, car les fabricants de téléviseurs les utilisent en volumes importants. Nous savons également que des revêtements de surface peuvent être utilisés pour rendre les surfaces réfléchissantes pour différentes longueurs d'onde, et les faisceaux RF peuvent être réfléchis comme les autres formes d'énergie électromagnétique.

Plusieurs systèmes de développement et d'évaluation vidéo peuvent être utilisés pour tester et prototyper cette approche. Remarquez que le spectre de l'image n'a pas d'importance pour les processeurs et la mémoire. Une fois qu'une image est capturée en mémoire, peu importe si le scan source était des rayons gamma, IR, UHF ou UV. La représentation à modulation d'intensité dans la mémoire reflète la réalité (sans jeu de mots).

Il faut aussi remarquer que la RF à plus basse fréquence simplifie la détection de distances de proximité plus proches que la lumière visible. Les basses fréquences peuvent détecter les alignements de phases alors que la lumière visible est plus difficile à discerner. C'est pourquoi la RF à plus grande longueur d'onde offre ici des avantages par rapport à la lumière visible et aux approches basées sur la vidéo.

Prenez aussi en compte le fait que les fréquences modulées sur la porteuse RF peuvent ajouter de la valeur. Les modèles à compression d'impulsions peuvent simplifier les mesures de temps réfléchi puisque les points d'alignement peuvent être relevés facilement. De plus, les fréquences de décalage peuvent relever les résonances dans la surface réfléchissante. Mieux encore, les modulations audio et à ultrasons permettent la réadaptation d'une technologie avancée déjà développée.

L'utilisation des ultrasons

La technologie utilisée pour l'imagerie à ultrasons peut être utilisée pour l'imagerie RF. Dans ce cas, les émetteurs orientent un faisceau pour bombarder un chemin avec le signal modulé par ultrasons, et les récepteurs le récupèrent et envoient les données à des processeurs hautement intégrés capables d'extraire rapidement les détails.

Certains dispositifs monolithiques existants peuvent être utilisés pour inclure l'orientation du faisceau, comme le dispositif de formation de faisceau de transmission configurable LM96570SQE/NOPB de TI (Figure 3). Des fréquences d'impulsion jusqu'à 80 MHz peuvent être lancées sur un seul canal ou sur l'ensemble des 8 canaux, avec des modèles allant jusqu'à 64 bits et une résolution temporelle de 0,78 ns. Un bon exemple de générateur d'impulsions à ultrasons est le MD1712FG-G de Microchip, qui commande deux canaux pour générer des formes d'onde à cinq niveaux.

Figure 3 : Les signaux à ultrasons de composants d'imagerie avancés et intégrés peuvent être utilisés comme signaux modulés sur la RF, représentant un champ de vision RF. Les puces d'imagerie auxiliaires déjà disponibles simplifient la conception des processus d'image finaux.

De manière similaire, le générateur d'impulsions STHV800L de STMicroelectronics a une bande passante pouvant atteindre 300 MHz. Même si les circuits d'attaque piézo haute tension sont conçus pour fonctionner avec des transducteurs piézo, si ces composants font 90 % du travail, la conception d'une interface pour les étages RF est assez simple en comparaison. Le STEVAL-IME009V1 à 8 canaux constitue un moyen rapide et pratique d'apprendre, de tester et d'expérimenter cette nouvelle technologie.

À cet égard, certains dispositifs d'imagerie à ultrasons peuvent être utilisés pour le prototypage rapide et le couplage facile aux étages RF. Une fois que vous êtes parvenu à créer une image dans la mémoire, le plus gros du travail est fait pour une imagerie RF à plus haute résolution.

L'utilisation d'antennes

D'autres techniques d'orientation de faisceau peuvent être utilisées sans déplacer des composants, au moyen d'éléments d'antenne qui permettent une sensitivité réglée directionnellement ou le contrôle de la direction du faisceau. Cela peut à son tour permettre de concevoir et de mettre en œuvre un émetteur de scanner à spot mobile RF et une antenne à gain élevée programmée directionnellement.

Lorsqu'un réseau maillé est présent, une autre technique peut être utilisée pour détecter les mouvements. Cette technique est appelée détection de mouvement tomographique, et elle capte les perturbations des ondes radio lorsqu'elles passent de nœud en nœud dans un réseau maillé. Ces systèmes offrent une détection sur des zones complètes, car ils sont capables de capter à travers des murs et des obstructions.

Attendez-vous à un redoublement de l'activité dans nombre de ces domaines, avec la possibilité de régler les fréquences d'émission RF pour voir au travers du brouillard (une limite des systèmes basés sur la vidéo) et pénétrer des surfaces (comme les localisateurs de montants RF).

Pour plus d'informations sur les composants abordés dans cet article, cliquez sur les liens fournis pour accéder aux pages des produits sur le site Web de DigiKey.