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毫米波人體掃描儀市場: 過去、現在和未來

2019-07-30
關鍵詞: 人體掃描儀 毫米波

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  圖1. 典型的毫米波人體掃描儀

  簡介

  與幾十年前相比,我們生活的世界發生了翻天覆地的變化。國際社會地緣政治格局的變化和全球恐怖主義威脅的加劇使得個人安全方面的需求激增。對安全的需求不再僅僅局限于關鍵的基礎設施,而是越來越趨于普遍。世界各地的政府、安全機構和企業都開始認識到這種新趨勢,并紛紛利用技術來解決這些 新的安全挑戰。全身掃描是一種常用的安全工具,可以幫助克服這些挑戰和解決潛在威脅。這種設備非常重要,被廣泛用在機場、火車站和政府大樓中。它們對進出建筑物的人員進行掃描以查明是否藏有武器、爆炸物和其他違禁物品。雖然人體掃描儀幾乎是不可或缺的,但它存在幾大缺點。現在大多數的人體掃描解決方案所需掃描時間較長,這會導致人流堵塞。許多掃描儀的分辨率不足以檢測當今的威脅,或者會太過于干擾日常活動的進行。此外,即便它們能夠滿足上述所有預期,也通常過于昂貴,無法大規模投入商業使用.

  ADI公司在射頻、微波和毫米波技術方面的進展正在改變這一狀況。有了新的半導體解決方案,公司可以實現新一代的人體掃描解決方案,以定義其功能范圍。本文討論了人體掃描技術的發展,以及目前可用于開發下一代人體掃描儀的解決方案。

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  圖2. 用于檢測威脅的人體掃描技術的發展。

  人體掃描解決方案的發展歷史

  早在自動化人體掃描系統出現之前,人們主要通過人工搜身來進行檢查。當然,正如人們所料,這需要很長時間,會侵犯個人隱私,而且并不一定能夠最準確地檢測出威脅。隨著威脅日益復雜和技術不斷進步,人工搜身被金屬探測器所取代。金屬探測器自動掃描人流,讓他們可以無需停步而直接走過安全門。只有被檢測到身上帶有金屬物體時,才需要停下來接受人工搜身。當時的假設是,至少大部分威脅都是由金屬造成的。在那個時代,這種假設,還有金屬探測器的預期分辨率水平有其合理性。除了這些固定的金屬探測器之外,還采用便攜式手持金屬探測器加以輔助,使工作人員可以在不接觸人們身體的前提下更近距離地進行掃描。

  最終,隨著各種隱藏的物體變得更加隱蔽,傳統的金屬探測器開始難以勝任。現在,隨著3D打印等技術的出現,人們可以用非金屬材料制造武器,因此金屬探測器不再是最好的檢測方法。因此,各種機構需要引入更準確的掃描方法。

  此后,X射線技術成為首選。X射線掃描儀的速度很快,可以穿透活體,提供人體和隱藏物體的超高分辨率圖像。這項技術的缺點在于,被掃描的人員會受到高強度輻射,引發了公眾對人身健康和個人隱私極大關注。由于其固有的穿透特性,X射線可以揭露大多數人都不愿意分享的大量信息,由此引發了眾怒。這些機器的最初版本要求檢查人員人工判斷隱藏物體的圖像,帶來了侵犯這一主要弊端。此外,由于這些機器使用主動輻射,不管X射線公司如何聲明,都引發許多人對長期健康的極大關注。

  鑒于上述原因,X射線被修改為X射線后向散射解決方案,后者不會穿透目標,而是從目標表面進行反射。從健康角度來看,這種解決方案相對更好,盡管人們仍對這種技術的健康和隱私影響抱持同樣的擔憂。如今,后向散射技術被全球多地采用。

  與此同時,射頻、微波和毫米波技術也取得了進步。掃描公司目前正在采用這項技術開發掃描儀,其特點是速度快,分辨率高,不侵犯個人隱私,而且不利用任何輻射。這些掃描儀的工作頻率一般在10GHz到40GHz之間,有時還高達60GHz到80GHz。隨著射頻和微波技術日益普及,這些掃描儀的價格越來越低,體積越來越小巧,因此在各種市場中被廣泛投入商業使用。一般來說,相比之前的產品,這些掃描器都不僅安全可靠,而且更能保護隱私。毫米波掃描正逐漸成為當今和未來人體掃描儀的首選技術。

  毫米波人體掃描儀市場概述

  毫米波人體掃描提供了巨大的市場機遇,不僅限于安全和威脅檢測應用,還包括其他商業應用。根據 Global Industry Analyst, Inc.2015年發布的報告,全身掃描儀市場預計到2021年將增長到17億美元,年復合增長率為41.5%。根據MarketsandMarkets,的另一份報告,到2021年,單單機場人體掃描市場的價值預計就將達到1.18億美元,年復合增長率為8.4%。這還未考慮非機場和商業市場的巨大增長機會。

  毫米波技術也同樣被應用于其他行業,例如在商業領域,商場、音樂廳和體育場使用低成本人體掃描儀確保安全。類似地,在消費領域,該技術可用在零售商店,將傳統的試衣間更換為現代的掃描和試穿系統。醫療健康行業也在考慮使用毫米波取代老式的主動式輻射全身掃描的方法進行各種治療。

  隨著全球都在從X射線、后向散射和金屬探測器技術轉換到毫米波全身掃描儀,市場提供了巨大的機會。為了保持市場份額,這一領域的行業領導者不僅需要制造人體掃描儀,還需要優化它們,使其具有更高的圖像分辨率和更快的性能,同時對功能進行改進,例如在行進中掃描,無需人員止步。

  總體來說,用于全身掃描系統的毫米波技術在政府、商業和消費領域的應用前景一片光明。ADI公司已經看到一些初創公司開始采用微波和毫米波解決方案來開發下一代人體掃描儀。

  毫米波人體掃描儀—技術解決方案

  如圖3所示,總體來看,主動式毫米波人體掃描儀的設計包括天線元件、射頻分段(簡單起見,將射頻、微波和毫米波統稱為射頻)、混合信號段和數字域。

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  圖3. 高水平毫米波人體掃描儀結構框圖。

  天線元件的物理結構包含用于發射和接收信號的小型天線結構。這些元件背后的射頻部分均由高性能半導體硬件(芯片組)組成,它們將發射信號傳輸至天線元件,并將反射回來的信號通過天線接收。射頻部分的設計至關重要,可以確保掃描儀在最短的時間內獲取有關目標的最多信息,而不遺漏關鍵細節。

  混合信號部分包括高速模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)。這些ADC和DAC將模擬射頻信息轉換成掃描儀的計算機可以處理的數字位,以傳輸射頻信號。

  最后,數字部分是用于圖像處理、掃描和威脅識別的大部分軟件算法所在的位置。數字部分的需求通常決定著射頻和混合信號部分的需求(如通道數、頻率、所需帶寬和采樣速率)。大多數開發毫米波掃描儀的公司都嚴格控制掃描儀的數字/軟件部分和天線設計。這就是他們讓自己的掃描器性能脫穎而出的地方:開發專用軟件算法和天線設計,從而以最小尺寸提供最佳分辨率和最快掃描速度。

  射頻部分和混合信號部分是整個解決方案的關鍵部分,但大部分掃描儀的整體設計都是相似的。圖3和圖5分別顯示了射頻段的發射和接收部分。

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  圖4. PIN(頂部)與SOI開關(底部)的實現方式比較。

  如圖所示,發射和接收信號鏈由相同的頻率源(頻率產生模塊)驅動。頻率源產生5GHz到10GHz的信號,這些信號經過倍頻鏈,放大和倍增兩次,在掃描儀的射頻操作頻段內生成20GHz到40GHz的信號。該20GHz到40GHz的信號隨后經過傳輸鏈,根據系統的配置,該信號可能被再次放大,并被濾波,以消除在前面階段增添的任何雜散。由于大多數掃描儀都在寬頻率范圍內工作,它們需要一個能夠在整個頻率范圍內進行濾波的濾波器。傳統上,單個寬帶濾波器很難構建,或者實施起來成本很高。因此,制造商使用一個濾波器組,通過開關將多個窄帶濾波器組合起來。這些窄帶濾波器一起作為一個寬帶濾波器使用。微信圖片_20190731182503.jpg

  圖5. 通用毫米波成像發射 (Tx) 信號鏈。

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  圖6. 通用毫米波成像接收 (Rx) 信號鏈。

  ADI公司通過使用可調濾波器來簡化這種傳統架構。通過改變調諧電壓,濾波器可以連續調諧到所需的頻率。與信號鏈合用時,ADI的可調帶通濾波器可以替代多個濾波器組或放寬對濾波器組的要求。

  發射信號被濾波之后會通過一個開關矩陣傳輸到多個發射通道。根據每個系統集成商的性能要求和天線設計,信號鏈可能由幾十個到幾百個發射和接收通道組成。通道的數量通常會影響系統的性能和成本。開關矩陣由多個開關組成,用于接收發射信號并將其分布到多個發射天線元件中。

  傳統上,這種開關矩陣是通過在SPDT配置中使用PIN二極管和GaAs開關實現的,特別是在高達40GHz的高頻下。對于PIN二極管,每個開關都需要大量的外部元件來控制高偏置電壓和電流。隨著通道數量增加,這些外圍電路會變得更加復雜。同樣地,采用GaAs對應元件的設計需要采用多個開關,以便為高通道數構建開關樹。

  ADI公司采用40 GHz SP4T SOI(絕緣體上的硅)開關簡化了這種設計,例如 ADRF5046。借助SP4T,設計師可以最多使用四個開關位置,而不是每個開關支持兩個開關位置。例如,對于一個簡單的12通道系統,3個SP4T開關可以替代多達7個SPDT開關。對于具備更高通道數的系統,隨著系統復雜性呈指數增長,SP4T SOI開關的優勢更加明顯。除了減少開關IC的數量,減少外部元件的數量 和降低偏置功率同樣重要。ADRF5046的設計采用SOI工藝,可以在低電源電壓下,以可忽略的偏置電流運行,且無需任何外部元件,即可接入標準CMOS控制信號。圖4顯示了使用老式PIN二極管與新的SOI開關的開關實現方式之間的差異。

  最后,發射信號從發射天線元件發射出去。根據系統架構,單個或多個發射天線可以在任何給定的時間處于工作狀態。對于大多數系統,通常有一個發射天線在任何給定的時間處于工作狀態。系統可以通過多根發射天線連續線性掃描信號,每次發射的間隔都非常短(只有幾?s)。

  在接收端,多個接收元件同時處于工作狀態。接收元件會搜尋來自目標的反射信號。它通過多個通道捕獲反射的接收信號,然后讓信號通過每個通道的低噪聲放大器(LNA),在不產生額外噪聲的情況下放大信號。然后使用與發射端類似的開關矩陣來合并來自多個通道的放大信號。數字衰減器被用于實施增益調節,而SOI工藝中的ADRF5730 可以滿足快速開關建立要求。接收到的信號隨后經過下變頻和進一步的放大級。傳統上,系統集成商采用超外差結構將高頻信號分多個階段下變頻至中頻。不過,有了寬帶混頻器,如HMC8192(20GHz至42GHzI/Q混頻器),集成商只需一步即可將高達42GHz的頻率下變頻至低中頻或基帶。這個混頻器的本振驅動和發射級使用相同頻率源模塊。然后,寬帶I/Q混頻器的IF被饋送到單端轉差分放大器,隨后與高速ADC進行連接。這種高速ADC將信號數字化,并為運行多種軟件算法來檢測圖像的計算機提供數字輸入。

  如之前的圖所示,ADI公司可以為毫米波人體掃描儀提供從比特到天線和從天線到比特的完整信號鏈解決方案。借助廣泛的射頻、微波和毫米波器件產品系列,集成商一定可以找到滿足其性能和價格預期的合適器件。要提供從比特到天線的完整天線解決方案,需要具備必要的產品系列、經驗和技術支持,而ADI是業內唯一家滿足這一條件的公司。這讓制造商無需單獨選擇、評估每個器件,并為它們議價,從而能夠節省大量的時間、金錢和精力。

  從射頻分段的角度來看,人體掃描儀的精度(分辨率)和速度在很大程度上取決于幾個關鍵因素:

  頻率范圍 決定了掃描儀的穿透特性和可用帶寬。通常頻率越高,穿透性越強(在某些情況下),可用帶寬越大。帶寬越高,分辨率也越好,因為每個頻率通道可以傳輸更多與目標有關的數據。由于波長較短,更高頻率的系統需要的天線也更小。因此,多通道系統會采用多根高頻小天線。不過,由于半導體設計的復雜性、封裝問題以及集成商缺乏高頻設計方面的專業知識,要面向大規模商業應用構建基于極高頻(>60GHz)的人體掃描儀設計,成本非常高昂,或者過程非常復雜。因此,目前大多數系統通常設計成使用10 GHz到40 GHz的頻率。

  通道的數量 決定了可以從多個不同來源獲取關于目標的信息。更高通道數通常可以提供更高的目標分辨率和更好的天線空間多樣性。增加通道數量需要復制每個通道的硬件內容,這會顯著增加射頻部分的尺寸和成本。更高通道數還意味著系統需要采用多個高速ADC,這會進一步增加混合信號域的成本。

  信號鏈的動態范圍決定了人體掃描系統的靈敏度。動態范圍越高,系統對小目標和隱蔽目標的檢測能力越強。為了提高系統的動態范圍,集成商通常會選擇線性度極好且噪聲系數 低的器件。

  關鍵成功因素

  除了掃描系統的技術性能之外,毫米波人體掃描儀系統集成商或制造商的成功還取決于許多因素。除了掃描儀準確檢測小型、隱蔽和危險物體的能力外,該系統還需要快速運行才能在高流量區域使用,需要具有成本效益才能進行大規模部署,還需要提供競爭優勢才能確保業務可行性。因此,人體掃描儀制造商的成功取決于以下因素:

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  圖7. 人體掃描儀制造商的關鍵成功標準。

  掃描精度

  人體掃描儀能否明確區分潛在危險的物體和無關緊要的物體,掃描精度是關鍵。第一代毫米波掃描儀問題頻出,誤報率非常高。這就導致需要采用其他手段重新評估風險,大大浪費了時間和經歷,并影響心情。提高分辨率和降低誤報率的要求通常很難兩全。掃描儀的分辨率越高,誤報的可能性也越高。因此,大多數系統集成商都努力在分辨率和誤報率之間尋求適當的平衡。根據經驗,10GHz到40GHz的范圍可以提供這種寬帶覆蓋,而品類眾多的低噪聲器件,例如ADI提供的器件,則可以提供高動態范圍。正確的硬件架構和器件選擇可以提高系統的分辨率。然后,系統集成商會開發高級軟件算法,更智能地解析這種高分辨率圖像,確保在首次掃描時即正確識別真正的威脅。

  縮短上市時間

  毫米波人體掃描市場預計將快速增長,吸引著許多新加入者,因此,上市時間是成功的關鍵,而要確保能夠縮短產品上市時間,系統集成商需要采用幾家關鍵供應商提供的更多集成化和模塊化器件。這樣他們就更不需要分別選擇、評估每個分立式器件,以及在信號鏈中實施它們。相反,通過使用更多集成化和寬帶器件,公司可以在硬件設計上花更少的時間,而將更多的時間用在軟件差異化上。ADI公司是業界唯一家提供完整信號鏈解決方案的公司,可以滿足從直流到100 GHz的所有設計需求。多家毫米波系統設計公司依靠這個產品系列來縮短其產品上市時間。

  小尺寸

  為了使毫米波掃描儀得到廣泛應用,需要大幅縮小這些掃描儀的尺寸。出于美學或空間不足的原因,下一代掃描儀的尺寸需要變得更小。此外,隨著對分辨率的需求不斷提高,下一代掃描儀將需要更多的通道,這意味著硬件和天線數量會越來越多。為了在提高分辨率的同時保持小尺寸,系統集成商需要與ADI公司這樣的半導體提供商密切合作,開發出高度集成的芯片組。目前很少有公司能有能力開發高達100GHz的產品,并且以封裝形式提供,同時在同一器件中集成多種功能。ADI公司在這種高頻集成(例如,E波段發射和接收SiP)和多通道設計(例如,24GHz4通道雷達解決方案)方面處于行業領先地位,憑借此類高頻、集成化和封裝器件,這種設計仍然走在市場前列。

  平臺方法

  為了確保毫米波掃描儀不成為只維持一代的產品,而是可以隨著時間的推移不斷發展,系統集成商需要采用平臺設計方法。這意味著集成商選擇的器件應該為他們提供一條路徑,讓他們能夠在多代全身掃描解決方案中使用相同的硬件架構。這樣,每當集成商希望改進解決方案,以提高性能、速度或降低成本時,他們無需重新設計信號鏈中的每個組件。

  為此,他們可以做出正確的長期選擇,比如利用寬帶器件而不是窄帶器件。這樣,即使集成商修改了頻率計劃或計劃利用更高的頻率來獲得更高的帶寬,也不需要尋找新的器件。同樣的寬帶器件就可以滿足新系統的需求。

  同樣,通過使用同一家供應商的多個器件,集成商可以與該供應商合作,將多個功能集成到單個芯片或單個封裝中。ADI公司提供業界最廣泛的寬帶器件產品系列,因此提供了獨一無二的機會來持續升級硬件架構,而無需每次重新設計。

  成本更低的解決方案

  最后,成本是確保掃描解決方案具備業務可行性的重要因素。要讓全身掃描儀廣泛應用于除機場以外的商業應用場合,系統集成商需要大幅降低價格。這給他們的成本結構帶來了巨大壓力。一方面,他們需要增加通道數量,使用更寬頻段和更高頻率的器件,這會增加系統成本,但另一方面,市場需要更低的成本結構。因此,集成商需要尋找更新穎、更有創意的方法來降低成本。以下是集成商降低系統總成本并實現毛利潤最大化的一些潛在方法:

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  圖8. 降低全身掃描儀成本的方法。

  提高集成度:集成商可以利用將多個功能集成到一起的器件,顯著減少構建信號鏈所需的組件數量。組件越少,需要組裝的器件數量越少,這意味著組裝速度更快,PCB尺寸更小,需要支持的設計也更簡單。從長遠來看,這意味著構建成本更低,為掃描系統提供技術支持的能力也更強。

  全封裝器件:通過使用全封裝器件,即使在高頻率下,集成 商也不需要采用特殊的組裝方法來組裝裸片。這樣集成商就無需采用成本高昂的組裝技術(例如用于裸片的芯片和電線),而是可以使用更簡單的SMT封裝焊接。目前,很少有半導體公司具備提供高頻封裝器件的專業知識。僅有幾家公司可以提供經過驗證的、高達86GHz的封裝解決方案,ADI公司就是其中之一。集成商應該精挑細選一家可提供一系列SMT封裝產品的長期設計合作伙伴。

  首選供應商安排: 系統集成商應盡量減少構建整體解決方案所需的供應商數量。這樣集成商便可獲得更大的議價(買方)權,同時在多個平臺上利用同一家供應商帶來的規模經濟優勢。因此,集成商應該選擇能為他們提供合適的解決方案和未來路徑的正確行業合作伙伴。

  外包非核心技術工作: 如前所述,對于大多數開發全身掃描儀的系統集成商而言,核心專業知識是用于成像和檢測的軟件算法。這些軟件算法支持以高分辨率檢測小型物體,同時減少誤報率。大多數情況下,半導體硬件需求都是由軟件需求推動的。因此,為了最大限度地發揮各公司的核心功能優勢,并確保加快上市時間,系統集成商應考慮將硬件開發外包給擁有硬件專業知識的公司。這樣一來,集成商就可以專注于自己的核心功能,讓硬件專家利用最新的技術進步開發最先進的硬件平臺。

  隨著毫米波技術越來越注重系統和解決方案,以ADI公司為代表的半導體公司可憑借其完整的信號鏈解決方案提供獨特的優勢。通過外包系統設計,集成商可以專注于自己的核心競爭力,而且由于繞開了非核心功能,同時利用了與一家供應商合作的規模經濟優勢,還可以降低成本。

  綜上所述,微波和毫米波全身掃描儀正在成為全球安全和檢測系統的重要組成部分。通過利用最新的技術進步,做出正確的設計選擇,并建立最佳的戰略伙伴關系,系統集成商可以讓其解決方案脫穎而出。以ADI公司為代表的半導體公司正在為實現下一代毫米波全身掃描儀全力以赴,并期待與系統集成商精誠合 作,共同開發更準確、快速且更具商業可行性的全身掃描系統,構建一個全新生態系統


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