RF 이미징 분해능 향상

간단한 RF 반사판은 매우 낮은 분해능으로 근처에 물체가 있는지를 감지할 수 있었습니다. 이 제품은 하나의 픽셀 이미지처럼 물체의 존재 유무를 감지할 수는 있지만 모양, 크기, 거리, 움직임, 속도, 가속 또는 기타 모든 정보를 식별할 수는 없습니다. 이 기술은 점차 확대되고 있으며 다양한 새 응용 분야에 도입되고 있습니다. 예를 들어, 사각지대 감지용 단순 근접 레이더는 자동차의 안전성을 더 높입니다. 처음에는 차량 주변 두어 곳에만 배치되었지만 이제는 충돌 방지 기술의 일부로서 주변 레이더를 갖추고 있고, 편리성뿐만 아니라 안정성(예: 자동차 리프트 게이트 작동)을 위해 근접 감지를 활용합니다.

그뿐만이 아닙니다. 일렬 주차하는 차량은 이 기술을 더 높은 분해능으로 활용하고 기본적으로 소프트웨어에서 3-D 모델을 구성할 수 있습니다. 휴리스틱 알고리즘(PCB 자동 경로와 유사)이 최적의 경로를 찾아내고, 서보 피드백 동작 제어가 조정 휠, 브레이크 및 액셀러레이터를 제어합니다. 이러한 기능은 단일 픽셀 유형 센서의 기능을 훨씬 능가하며 고분해능 센서가 필요하거나 빔 조정이 구동되고 있어야 합니다(또는 두 가지 모두).

RF는 이미징의 측면에서 가시광선보다 장점이 많으며 RF-센서 어레이는 프로세서 기반 이미징 응용 분야에서 CCD 스타일의 가시광선 감지기를 대신하거나 향상시킵니다. 이 기사에서는 고분해능의 RF 이미징에 사용할 수 있는 기술을 중점적으로 알아봅니다. 기술과 접근 방식 그리고 비디오 기술에 비교했을 때의 장점과 단점을 설명합니다. 여기에서 언급한 모든 부품, 규격서, 튜토리얼 및 개발 시스템은 DigiKey 웹 사이트에서 확인할 수 있습니다.

음지에서 탈피

RF는 이미징의 측면에서 가시광선에 비해 장점이 많으며 RF 센서 및 어레이는 가능한 시장 및 분야에서 CCD 스타일의 가시광선 감지기를 대체하거나 향상시킵니다. 두 경우 모두 실제의 유한 요소 "와이어프레임"이 설정되면 프로세서 기반 이미징 향상 및 분석이 수행됩니다.

사람들이 모를 수도 있지만 RF 근접 기술은 음지에서 조용히 움직임을 모니터링하면서 수십 년 동안 사용되어 왔습니다. 초기의 PIR 동작 감지기는 작동하기는 했지만 신뢰하기 어려웠습니다. 오경보가 자주 발생하여 산업에서는 극초단파 펄스를 사용하여 접근이나 움직임 변화를 감지하는 듀얼 기술 시스템을 선보였습니다. 오경보를 최소화하기 위해서는 PIR과 극초단파 센서를 함께 사용해야 합니다.

이러한 기술이 널리 배포될 수 있었던 것은 실리콘 방출기와 감지기의 개발 덕분이었습니다. 이에 따라 대량 생산이 가능해지고 고비용이 소요되는 정렬이나 조정의 필요성이 제거되었습니다. 초기 PIR 감지기가 PCB에 전략적으로 배치됨에 따라 전 세계 보안 시스템에서 동작 감지기 제품이 빨리 발전할 수 있었습니다. 설계자는 곧 주변광 조건을 보상하는 방법을 알게 되었습니다(그림 1). 

여기서는 현대식 1비트 PIR 감지기가 여전히 뛰어나고 실용적인 기술이며 앞으로도 유용할 것이라는 점에 주목해야 합니다. 절전을 위해서는 대개의 경우 PIR만 활성 상태이면 됩니다. 경고 또는 웨이크업 조건이 발생할 때 RF나 비디오 또는 극초단파 센서 방출기의 전원을 켤 수 있습니다.

그림 1: 정밀 모놀리식 센서로 인해 대량 생산이 가능해졌습니다. PIR, CCD 어레이 및 비디오 센서의 경우도 마찬가지이며 RF 센서의 경우도 마찬가지입니다. 황화카드뮴 광전지로 인해 주변광 보상이 가능합니다.

이미징에 대한 다양한 접근법

가장 일반적인 소비자 가전 수동 이미징 장치는 저비용 센서 소자로 비디오 감지기를 사용함으로써 사람 눈으로도 식별할 수 없는 이미지의 세부까지 포착하는 고속 DSP 처리 기술의 장점을 활용합니다. 현대의 고분해능 이미지 센서는 고정 시야 또는 이동 리플렉터 기술을 통해 이미지를 포착하고 이를 내장형 프로세서인 DSP, FPGA 또는 TI SN65LVDS324ZQLR과 같은 전용 이미지 처리 소자로 전송합니다. Cognimem 901-3001과 같은 간편한 소형 비전-센서 평가 및 개발 보드는 테스트 이미지 획득을 시작하기에 좋은 제품입니다.

하지만 비디오 센서는 일반적으로 수동입니다. IR 방출기를 사용하여 저광량 이미지 획득을 가능하게 할 수 있으며 가변 색 방출기라도 더 세밀한 이미지를 얻을 수 있습니다. 하지만 더 증가된 범위와 분해능으로 스캐닝하려면 일반적으로 RF 또는 레이저가 필요합니다.

비점 스캐너 기술은 최신 기술은 아니지만 여전히 효용이 높습니다. 이는 팩스 기계의 1차원 라인 스캐너, 슈퍼마켓의 바 그래프 스캐너 또는 피코 프로젝터에 사용되는 것과 같은 2차원 스캐너와 유사합니다. 비디오-래스터 스캔과 마찬가지로 레이저는 시야 패턴을 포착하고 간단한 세기 검출기에서는 비디오 신호를 생성합니다. 이 신호는 디스플레이 시스템에 맞춰지거나 프로세서 메모리로 보내어 분석될 수 있습니다.

실제로 초기 레이저 프린터와 스캐너는 회전하는 모터 기반 육각형 또는 팔각형 미러 조립품을 사용하여 호를 따라 스캔했습니다(그림 2). 초기 1차원에서는 이러한 강도 조정된 빔이 토너 섹션에 들어가기 전에 전하를 종이에 옮길 수 있는 황화카드뮴 드럼을 충전합니다. 한 번 더 강조하자면, 이 기능에 실리콘 처리가 적용되면서 MEMs(Micro Electronic Mechanical Systems)를 사용하여 움직이는 미러를 칩에서 구현하는 디지털 광 파이프 기술이 개발되었습니다.

그림 2: 1차원 및 2차원용 기계식 비점 스캐너는 바코드 판독기와 레이저 프린터에서 그 신뢰성과 견고성이 입증되었으며 전파 유도 RF 빔을 사용하도록 조정될 수 있습니다.

비점 스캐너는 방출기의 광학 또는 RF 파장에 민감한 감지기 또는 강도 변조가 없는 안정 상태 빔을 사용합니다. 반사된 신호가 감지기로 들어가면서 비디오 신호가 만들어지며, 이 신호의 순간 강도는 스캔 표면의 반사도를 나타냅니다. 이러한 방식으로 메모리 내 이미지가 메모리 주소 경계에 해당하는 선 시작 및 선 끝 감지기에 동기화되어 자동으로 구성됩니다. 신호가 돌아오는 데 걸리는 시간은 범위를 나타냅니다.

움직이는 미러는 빛이나 RF와 같은 다른 파장을 반사할 수 있으며 Texas Instruments DLP3000FQB 및 DLP4500FQE와 같은 움직이는 미러 모놀리식은 각각 WVGA 및 WXGA 분해능에 필요한 전자-기계식 굴절을 수행할 수 있습니다. 이러한 부품은 TV 제조사에서 대량으로 사용되므로 가격 면에서 경쟁력이 있을 수 있습니다. 또한 표면 코팅을 사용하여 여러 파장을 반사하는 표면을 만들 수 있으며, RF 빔을 다른 형태의 전자기 에너지처럼 반사할 수 있습니다.

다양한 비디오 개발 및 평가 시스템을 이용하여 이 접근법을 테스트하고 시제품/프로토타입을 제작할 수 있습니다. 프로세서 및 메모리에는 이미지 스펙트럼이 중요하지 않습니다. 일단 이미지가 메모리에 포착되면 소스 스캔이 IR, UHF, UV 또는 감마선 중 어떤 것인지는 관계가 없습니다. 메모리의 강도가 변조되어도 실제를 반영합니다.

염두에 둬야 할 또 다른 사항은 저주파수 RF를 사용하면 가시광선보다 더 가까운 근접 거리를 감지하기가 쉽다는 점입니다. 저주파수는 상 정렬을 감지할 수 있지만 가시광선은 이를 식별하기가 훨씬 더 까다롭습니다. 이러한 이유로 인해 더 긴 파장의 RF가 가시광선이나 비디오 기반 방식에 비해 장점을 가집니다.

또한 RF 캐리어의 주파수 변조는 값을 추가할 수 있다는 점도 고려해야 합니다. 정렬 지점을 손쉽게 포착할 수 있으므로 처프 패턴(Chirp pattern)이 반사 시간 측정을 단순화할 수 있습니다. 또한 이동 주파수가 반사 표면의 공진을 포착할 수 있습니다. 오디오 및 초음파 변조를 적용하면 이미 개발된 첨단 기술을 다시 활용할 수 있습니다.

사운드 방식

초음파 이미징에 사용되는 것과 동일한 기술을 RF 이미징에 사용할 수 있습니다. 이 경우 방출기가 빔의 방향을 조정하여 경로에 초음파 변조 신호를 보내고 수신기가 이를 받아 세부 사항을 더 빠르게 추출할 수 있는 고집적 프로세서로 데이터를 전달합니다.

TI LM96570SQE/NOPB Configurable Transmit Beamformer 등과 같이 빔 조정을 포함하는 데 도움이 되는 몇 가지 모놀리식이 있습니다(그림 3). 최대 80MHz 정격의 펄스를 타이밍 분해능이 0.78nsec인 최대 64비트 패턴으로 개별 채널 또는 8개 채널 모두에서 동시에 시작할 수 있습니다. 초음파 펄서의 좋은 예는 두 채널을 구동하여 5가지 수준의 파형을 생성하는 Microchip MD1712FG-G입니다.

그림 3: 고급 및 통합 이미징 부품의 초음파 신호는 RF 시야를 덮는 RF 상의 변조 신호로 사용할 수 있습니다. 이미 출시된 컴패니언 이미징 칩은 백 엔드 이미지 처리의 설계를 단순화합니다.

마찬가지로 STMicroelectronics STHV800L Pulser는 최대 300MHz의 대역폭을 가지며, 고전압 피에조 드라이브 회로는 피에조 트랜스듀서와 작동하도록 설계되었지만 이러한 부품이 작업의 90%를 처리한다면 RF 스테이지에 대한 인터페이스 설계가 비교적 간단합니다. 8채널 STEVAL-IME009V1을 이용하면 이 기술을 빠르게 익히고, 테스트하고, 실험할 수 있습니다.

이와 관련하여 몇 개의 초음파 진단기를 신속한 시제품 제작 및 간편한 RF 스테이지 커플링에 사용할 수 있습니다. 메모리에 이미지를 구성할 수 있었다면 기존의 다양한 기초 작업이 분해능이 높은 RF 이미징을 처리하는 데 활용되었을 것입니다.

안테나

다른 다양한 빔 조정 기술을 움직이는 부품 없이 사용할 수 있으므로 방향 조정 감도 또는 빔 방향의 제어가 가능한 안테나 소자를 활용할 수 있습니다. 이에 따라 RF 비점 스캐너 송신기 및 방향성 프로그래밍된 하이 게인 안테나를 설계 및 구현할 수 있습니다.

메시 네트워크가 있는 경우 다른 기술을 사용하여 동작과 움직임을 감지할 수 있습니다. 이를 단층 촬영 동작 감지라고 하며 이 감지는 메시 네트워크의 노드 간에 이동하는 무선 전파의 교란을 감지합니다. 이러한 시스템은 벽이나 장애물을 통과하여 감지할 수 있으므로 전체 구역을 감지할 수 있습니다.

안개를 통과하거나(비디오 기반 시스템에서는 제한됨) 표면을 침투하도록(예: RF 벽체 탐지기) RF 방출기 주파수를 조정할 수 있으므로 이 분야의 응용이 확대될 것으로 기대됩니다.

이 기사에서 설명한 부품에 대한 자세한 내용을 보려면 제공된 링크를 사용하여 DigiKey 웹 사이트의 제품 페이지를 방문하세요.