Aumentare la risoluzione delle immagini RF

I semplici riflettori RF sono in grado di rilevare la presenza di un oggetto in stretta vicinanza a risoluzione estremamente bassa. Come un'immagine di un pixel, è possibile rilevare la presenza di qualcosa, ma è impossibile discernere forma, dimensione, distanza, movimento, velocità, accelerazione o qualsiasi altra informazione più dettagliata e decisiva. Questa tecnologia è in espansione e viene adottata in un gran numero di nuove applicazioni. Un semplice radar di prossimità per il rilevamento del punto cieco, ad esempio, ha reso l'automobile più sicura. Inizialmente disposti solo in un paio di punti intorno al veicolo, ora le auto sono circondate dai radar che fanno parte della tecnologia di prevenzione delle collisioni e utilizzano anche il rilevamento di prossimità per motivi di praticità e di sicurezza (es. apertura automatica di cancelli e porte).

Ma non è tutto. Le auto che parcheggiano in parallelo possono sfruttare questa tecnologia a risoluzione superiore e comporre essenzialmente un modello 3D tramite il software. Un algoritmo euristico (simile a un auto-route su PCB) trova l'approccio migliore e il controllo del movimento di feedback del servosterzo prende il comando di sterzo, freni e acceleratore. Questo va molto oltre la capacità di un sensore a pixel singolo; o sono necessari sensori a risoluzione più alta oppure viene applicata la guida del fascio (o entrambi).

La soluzione RF presenta dei vantaggi rispetto alla luce visibile per quanto riguarda l'imaging. Inoltre, gli array di sensori RF possono sostituire o potenziare i rilevatori di luce visibile del tipo CCD in applicazioni di imaging basate su processore. In questo articolo sono prese in considerazione le tecnologie utilizzabili per l'imaging RF a risoluzione superiore. Sono trattate le tecniche e gli approcci, oltre ai vantaggi e svantaggi rispetto alle tecniche video. Nel sito Web di DigiKey sono reperibili tutti i componenti, le schede dati, i tutorial e i sistemi di sviluppo a cui si farà riferimento.

Fuori dal buio

Nell'imaging, la soluzione RF presenta dei vantaggi rispetto alla luce visibile. I sensori e gli array RF possono sostituire o potenziare i rilevatori di luce visibile di tipo CCD, in applicazioni e settori idonei. In entrambi i casi, potenziamento ed analisi dell'imaging basati su processore avranno luogo quando sarà stabilito l'elemento finito "wireframe" della realtà.

Spesso non ci si rende conto che la tecnologia di prossimità RF è in uso da decenni, monitorando silenziosamente i movimenti nel buio. I primi rilevatori di movimento PIR funzionavano ma si potrebbe dire in modo incostante o inaffidabile. Erano comuni i falsi allarmi e l'industria si è quindi rivolta a sistemi con doppia tecnologia che impiegavano impulsi di microonde per rilevare cambiamenti di prossimità e movimento. Per ridurre al minimo i falsi allarmi i sensori a microonde e PIR devono scattare entrambi.

Ciò che ha reso queste tecnologie idonee a una grande diffusione è stato lo sviluppo di emettitori e rilevatori al silicio, portando la produzione in serie nell'equazione ed eliminando la necessità di costose procedure di allineamento e calibrazione. I primi rilevatori PIR strategicamente posti su una PCB hanno consentito una rapida crescita dei prodotti con rilevatori di movimento nei sistemi di sicurezza di tutto il mondo. I progettisti hanno ben presto imparato come compensare le condizioni di illuminazione ambientale (Figura 1).

Va ricordato che i moderni rilevatori PIR a singolo bit costituiscono ancora una tecnologia viva e utilizzabile e che saranno impiegati ancora per molto. Allo scopo di ridurre i consumi, in molte occasioni è necessario che sia attivo solo un PIR. Quando si verifica una condizione di allerta o di attivazione, allora vengono alimentati anche gli emettitori dei sensori RF, video o a microonde.

Figura 1: La disponibilità di sensori monolitici precisi rende possibile la produzione in serie. Ciò era vero per sensori PIR, array CCD e video e sarà vero anche per i sensori RF. Notare la fotocellula al solfato di cadmio per ottenere la compensazione della luce ambiente.

Approcci diversi all'imaging

I più diffusi dispositivi di imaging passivi della fascia consumer si avvalgono di rilevatori video grazie al loro costo contenuto. Si avvantaggiano di tecniche di elaborazione DSP ad alta velocità per rilevare dettagli in un'immagine che neppure l'occhio umano potrebbe individuare. Tanto la tecnologia a campo visivo fisso che quella a riflettore mobile possono consentire a un moderno sensore ad alta risoluzione di catturare un'immagine e trasferirla in un processore integrato, in un DSP, in un FPGA o in un elemento di elaborazione immagini dedicato come SN65LVDS324ZQLR di TI. Una scheda di valutazione e sviluppo piccola e comoda per sensori di visione come 901-3001 di Cognimem può essere una buona soluzione per iniziare ad acquisire immagini di prova.

I sensori video, tuttavia, sono in genere passivi. Per acquisire immagini a bassa luminosità, è possibile utilizzare emettitori IR; anche emettitori a colori variabili possono estrarre più dettagli. Tuttavia, la scansione con risoluzione e gamma più ampie richiede in genere RF o laser.

La tecnologia Flying-Spot Scanner (analizzatore a scansione a punto mobile) non è nuova e non è destinata a tramontare a breve. Si tratta di dispositivi simili agli scanner 1D a linee in un fax, allo scanner per codici a barre del supermercato, o agli scanner 2D come quelli utilizzati nei proiettori pico. Come nella scansione raster video, i laser tracciano un pattern di campo visivo e un semplice rilevatore di intensità crea un segnale video che può essere allineato con un sistema di visualizzazione o inviato alla memoria di un processore per l'analisi.

I primi apparecchi scanner e stampanti laser in effetti utilizzavano gruppi di specchi esagonali o ottagonali motorizzati per scansionare un arco (Figura 2). Inizialmente, nella tecnologia 1D, questi fasci modulati in intensità caricavano un tamburo al solfato di cadmio in grado di trasferire la carica alla carta prima del suo ingresso nella sezione toner. Ancora una volta, l'applicazione di processi al silicio a questa funzione ha condotto alla tecnologia DLP (elaborazione digitale della luce) che si avvale di sistemi MEM (Micro Electronic Mechanical) per implementare specchi mobili su chip.

Figura 2: Gli scanner meccanici a punto mobile per 1 e 2 dimensioni hanno dimostrato di essere affidabili e robusti per i lettori di codici a barre e le stampanti laser e possono essere adattati per usare fasci RF guidati a onde.

Gli scanner flying-spot usano un fascio a stato stazionario senza modulazione dell'intensità e un rilevatore sensibile alle lunghezze d'onda ottiche o in RF dell'emettitore. Il segnale riflesso che entra nel rilevatore crea un segnale video la cui intensità istantanea rappresenta la riflettività della superficie scansionata. In tal modo, viene automaticamente costruita un'immagine in memoria sincronizzando i rilevatori di inizio linea e fine linea che corrispondono ai limiti dell'indirizzo di memoria. Il tempo impiegato dal segnale per ritornare indica l'intervallo.

Gli specchi mobili possono riflettere diverse lunghezze d'onda come la luce o l'RF e i dispositivi monolitici a specchio mobile come i prodotti DLP3000FQB e DLP4500FQE di Texas Instruments possono eseguire la deflessione elettromeccanica necessaria rispettivamente per le risoluzioni WVGA e WXGA. Sappiamo che questi componenti possono essere economicamente competitivi dato che i produttori di televisori li utilizzano in grandi quantità. Sappiamo anche che possono essere utilizzati rivestimenti superficiali per rendere le superfici riflettenti a diverse lunghezze d'onda e che i fasci RF possono essere riflessi come qualsiasi altra energia elettromagnetica.

È possibile utilizzare molti sistemi di sviluppo e valutazione video per testare e prototipare questo approccio. Si noti che lo spettro dell'immagine non è importante per processori e memorie; una volta acquisita l'immagine in memoria, non ha importanza se la scansione dell'origine è stata in IR, UHF, UV o raggi gamma. La rappresentazione modulata in intensità in memoria continua a riflettere il mondo reale.

Un'altra cosa su cui porre l'attenzione è che le radiofrequenze più basse rendono più facile effettuare rilevazioni a breve distanza rispetto alla luce visibile. Le frequenze più basse possono rilevare allineamenti di fase, mentre la luce visibile è più difficilmente distinguibile. Questo è il motivo per cui le radiofrequenze più lunghe presentano vantaggi se raffrontate con approcci basati su luce visibile e video.

Un valore aggiunto è costituito anche dalle frequenze modulate sulla portante RF. I pattern di chirp di energia possono semplificare la misurazione del tempo di riflessione data la facilità di acquisizione dei punti di allineamento. Inoltre, le frequenze di commutazione possono acquisire le risonanze sulla superficie riflettente. Ma, ancora più importante, le modulazioni audio e ultrasoniche possono consentire di cambiare lo scopo di tecnologie avanzate già sviluppate.

Approccio sonico

La stessa tecnologia usata per l'imaging a ultrasuoni può essere applicata all'imaging RF. In questo caso, gli emettitori guidano un fascio per coprire un dato percorso con un segnale modulato negli ultrasuoni e i ricevitori acquisiscono e passano i dati a processori altamente integrati che possono estrarre i dettagli abbastanza rapidamente.

Esistono molti componenti monolitici che possono essere utilizzati per agevolare l'implementazione della guida del fascio, come il formatore di fascio a trasmissione configurabile LM96570SQE/NOPB di TI (Figura 3). Su singolo canale o su tutti e otto simultaneamente è possibile lanciare velocità di impulsi fino a 80 MHz con pattern fino a 64 bit e risoluzione temporale di 0,78 ns. Un buon esempio di generatore di impulsi è MD1712FG-G di Microchip che pilota due canali per generare forme d'onda su cinque livelli.

Figura 3: Segnali ultrasonici da componenti avanzati e integrati di imaging possono essere usati come segnali modulati su RF, per disegnare un campo di visione in radiofrequenza. I chip di imaging companion già disponibili semplificano i progetti di elaborazione delle immagini di back-end.

In modo analogo, il generatore di impulsi STHV800L di STMicroelectronics ha una larghezza di banda fino a 300 MHz e, sebbene i circuiti di pilotaggio piezoelettrici ad alta tensione siano progettati per lavorare con piezotrasduttori, se questi componenti eseguono il 90% del lavoro gravoso, la progettazione di un'interfaccia agli stadi RF risulta relativamente semplificata. STEVAL-IME009V1 a 8 canali è un modo facile e veloce per l'apprendimento, i test e la sperimentazione con questa tecnologia.

A tal proposito, possono essere utilizzati molti dispositivi di imaging a ultrasuoni per una rapida prototipazione e un facile abbinamento agli stadi RF. Una volta che si è riusciti a costruire un'immagine in memoria, gran parte del lavoro di base è già stata eseguita per l'imaging RF ad alta risoluzione.

Antenne

Molte altre tecniche di guida del fascio possono essere usate senza parti mobili, implementando antenne che consentono una sensibilità direzionale accordata o il controllo direzionale del fascio. Questa soluzione, a sua volta, può consentire la progettazione e l'implementazione di trasmettitori di scansione flying-spot RF e antenne programmate direzionali ad alto guadagno.

Quando è presente una rete mesh, è possibile utilizzare un'altra tecnica per rilevare il movimento. Denominata rilevamento di movimento tomografico, capta i disturbi alle onde radio quando passano da un nodo all'altro della rete mesh. Questi sistemi hanno una capacità di rilevazione su un'area totale dato che possono captare attraverso muri e ostacoli.

Ci possiamo aspettare ulteriori evoluzioni in molti di questi campi, poiché le frequenze degli emettitori RF possono penetrare la nebbia (una grossa limitazione dei sistemi video) e le superfici (come nel caso dei cercacavi).

Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito DigiKey.