物理

94GHz被動影像雷達 國內自行研發

國內研究團隊在被動影像雷達前端加裝透鏡,並成功整合相關電路元件,不但系統接收訊號的效益提升,且體積變小、應用更廣。

撰文/呂怡貞
審稿/鍾世忠(交通大學電機系教授)

物理

94GHz被動影像雷達 國內自行研發

國內研究團隊在被動影像雷達前端加裝透鏡,並成功整合相關電路元件,不但系統接收訊號的效益提升,且體積變小、應用更廣。

撰文/呂怡貞
審稿/鍾世忠(交通大學電機系教授)

  毫米波被動影像雷達擁有良好的感測毫米波輻射亮溫以及呈現物體形狀的能力(見〈毫米波被動影像雷達讓金屬無所遁形〉)。國外的被動影像雷達外觀大多類似投幣式大頭照機器,受測者必須進入一個空間,讓雷達從頭掃到腳,才能得出完整的影像,檢測時間較長且設備佔地空間大。而這個問題的關鍵在於天線的視角範圍,當觀測的物體越大,天線的視角範圍要越大,數目也要越多,相對也增加裝置體積與造價;另一種做法是以較少的天線數目,全面掃過要觀測的範圍,這樣會拉長檢測時間,也需要較大的檢測空間。


  有鑑於此,交通大學電機系教授鍾世忠與工研院合作,在雷達最前端加裝自行設計的壓克力透鏡,經由透鏡聚焦可使電磁波集中,產生增益效果,提升天線接收的效益,達到與天線陣列同樣的效果,因此所需的天線數目與後端電路可減少,大幅縮小裝置體積,而且利用多支天線同時進行不同位置的觀測可有效減少掃描時間。研究人員選擇以94GHz毫米波做為偵測頻率,因為這個波段的頻率相對較高,可提升影像解析度,又不容易在空氣中衰減。 為了要將裝置小型化以便於使用,每個天線都會後接一組由低雜訊放大器(low noise amplifier, LNA)、功率偵測器(power detector, PD)等組成的電路通道,形成射頻電路前端訊號接收的區段,這是雷達技術的關鍵。


  系統接收到的訊號總功率來自外界和系統本身的亮溫,前者即是待測物體發射、反射與透射出的毫米波,此訊號十分微弱,而後者在整條電路都可能產生,也就是所謂的雜訊。唯有有效捕捉來自待測物的訊號以及壓低系統本身雜訊,才能得到真正需要的訊號。


  在系統最前端的透鏡與天線,如同整個系統對外敞開的門窗,當兩者效率越高,表示可接收越多外界訊號,且同時有能力篩選目標頻段(即94GHz毫米波),此時透鏡與天線本身的設計以及兩者「天衣無縫」的搭配就非常重要。


  透鏡的平滑度是必要條件,如果鏡面較粗糙或有損傷,電磁波就容易散射而降低聚焦效果;再來是能夠有效將目標聚焦於聚焦平面(focal plane)上;此外,特殊設計的透鏡可將待測物的各部份聚焦在聚焦平面上相對應的小面積聚焦範圍,而每一小面積聚焦範圍正對應到一個天線(見下圖),相對於一般凸透鏡在一側只有單一焦點,多個聚焦範圍的個別聚焦能力沒有單一焦點好,但在影像雷達應用上已足夠。當透鏡越大、聚焦平面上小面積聚焦範圍可以設計得越多,得到越多成像細節,即解析度越好。但在實際應用上,透鏡尺寸還是有限制,所以要達到好的解析度,也需要天線配合。


  在透鏡之後是由多個天線來接收訊號,天線必須能全部接收這些經過透鏡聚焦而來的毫米波訊號,不然透鏡尺寸再大都沒有用,這需要仰賴個別天線擁有適合的接收目標頻段的波束角度(beamwidth),如果波束角度過大,就會接收到不是來自於透鏡的環境雜訊,過小則會遺漏透鏡焦點傳來的訊號。每個天線的波束角度還要與旁邊天線的波束角度重疊,使訊號接收更全面。此外,由於94GHz毫米波波長約3毫米,天線陣列排放的位置必須十分精準,相鄰天線若錯放幾毫米,就會造成相當大的誤差。


  即使經過透鏡聚焦,天線接收到的毫米波輻射訊號依舊非常微弱,因此需要靠「低雜訊放大器」來幫忙。低雜訊放大器接在天線之後,可將目標頻段的毫米波訊號放大到10萬倍並抑制雜訊,而自身的雜訊則因相較之下變得很小而可以忽略。接著系統會將受測物體各部位的輻射亮溫差異經由高靈敏度的功率偵測器轉換成電壓,最後電路後端將輸出電壓以數位訊號處理成圖像顯示。


毫米波被動影像雷達系統的主要裝置。前端訊號接收是研發重點,在天線前加裝透鏡能夠集中受測者的自體輻射波束,有效提升天線效益,兩者精準的對應是技術關鍵;左邊的ABCDE為受測者的身體部位,其輻射出的毫米波束經過透鏡折射會對應到右方ABCDE天線。(電腦繪圖:姚裕評)


  目前交大團隊研發的94GHz毫米波被動影像雷達,在量測距離1公尺處,可觀測到18公分見方的視野,影像解析度小於2公分見方,溫度解析度為0.5K(物體溫差大於0.5K即可判斷)。團隊運用自行研發的陶瓷控溫裝置模擬待測物體溫度,現階段成像為一維影像,未來將進一步以11×11個天線或11個天線垂直擺動方式呈現出二維影像,並朝向可攜式或隱藏式設備研發以拓展應用場域,如銀行或其他進出需要通過安全檢查的公共場所。



國內自行研發的毫米波被動影像雷達,前端加裝直徑約20公分的透鏡(焦距為14公分),可減少天線的數量(紅圈處有11個天線),晶片尺寸也縮小到4公分×2.2公分(包含天線、低雜訊放大器、功率偵測器等11條電路通道),有利於縮小裝置體積。前方的陶瓷控溫器為方便自行調整測試溫度之用,測試方式是改變陶瓷溫度,結合中央金屬片,兩者一同做機械式的線性移動(在量測距離1公尺處左右移動),現階段顯示的溫度圖像為一維的曲線變化。(影像來源:鍾世忠)



交大團隊研發的毫米波被動影像雷達測出不同物質發散的溫差,經由電路轉換成電壓而顯示;橫軸是時間,以秒為單位,縱軸是電壓,以毫伏特(mV)為單位。(影像來源:鍾世忠)


交大團隊以陶瓷控溫器為毫米波被動影像雷達做動態測試。一維影像如方右圖,橫軸是時間,以秒為單位,縱軸是電壓,以毫伏特(mV)為單位;右上方以色塊顯示,顏色越深表示亮溫越低,右下方則以電壓變化顯示,紅線是室溫;兩圖均能看出中間有5公分的低溫,即系統能測出金屬片(兩旁陶瓷長度有誤差,此與系統解析度有關)。(影像來源:鍾世忠)





延伸閱讀

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〈毫米波被動影像雷達讓金屬無所遁形〉,呂怡貞撰文,科學EasyLearn網路版

〈天文研究新利器──ALMA〉,李名揚撰文,科學EasyLearn網路版

〈追求清晰的畫面〉,任文駒(Philip Yam)撰文,《科學人》2005年8月號

〈天線變聰明了〉,庫珀(Martin Cooper)撰文,《科學人》2003年8月號

〈超導體,感測超犀利!〉,爾溫(Kent D. Irwin)撰文,《科學人》2006年12月號

《高頻電路分析與設計》,賈志靜著,全華圖書出版

《電路學》,朱明輝、曾國隆著,新文京出版

高中選修科目《物理》



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