Real-time image acquisition system at W band with frequency scanning array antenna

Abstract

El objetivo principal de esta tesis ha sido el desarrollo de un sistema de adquisición de imagen en terahercios, de bajo coste, y enfocado a aplicaciones para la industria alimentaria. Para ello primero se llevó a cabo un estudio previo de la tecnología existente y de las posibles formas de obtener un abaratamiento del coste. Se pensó que utilizando escaneo frecuencial en uno de los ejes se podría conseguir reducir el número de pixeles necesarios para la toma de la imagen, y evitar el uso de sistemas de espejos móviles que incrementan la complejidad y encarecen el sistema. Una vez que partíamos ya con esta idea, estudiamos los fundamentos básicos de las antenas “Leaky-Wave” y Phased Array para conocer sus propiedades y los principios que producen el escaneo con la frecuencia. Finalmente decidimos conseguir el escaneo con la frecuencia mediante un phased array que utiliza una red de alimentación con caminos de propagación de diferente longitud eléctrica con los que conseguimos que nuestra agrupación de antenas se alimente con fases diferentes en cada elemento unitario, en función de la frecuencia. Se han utilizado espejos para conseguir conformar el haz y mejorar la resolución, pero siempre empleando elementos comerciales, de forma que el coste no se viera incrementado en exceso. Se desarrolló un primer prototipo que trabajaba en la banda F y con la ayuda de un reflector parabólico offset de los usados para captar TV por satélite conseguimos obtener las primeras imágenes con las que éramos capaces de reconocer algunas formas sencillas. También se desarrolló un segundo prototipo en el que se mejoraron varios aspectos como los lóbulos laterales que en el primer sistema nos degradaban la imagen, por medio de técnicas de enventanado y técnicas de postprocesado para mejorar la calidad de las imágenes registradas. Finalmente, se ha integrado la antena prototipo desarrollada, en una simulación de una cadena de alimentación utilizando un espejo comercial, consiguiendo la adquisición de imagen en tiempo real. Como prueba de concepto para analizar la viabilidad de utilizar esta técnica a frecuencias más altas, también se ha diseñado y simulado un prototipo de red de alimentación a 450 GHz para su fabricación mediante micromecanizado en silicio por DRIE (Deep Reactive Ion Etching) y posterior metalización, con la idea de futuros desarrollos a alta frecuencia.

This thesis main objective has been the development of a low cost image acquisition system in terahertz frequencies, focused in food industry applications. In order to do that, first a state-of-the-art analysis of the current technology was made, and the possible approaches to obtain a cost reduction were explored. Frequencial scanning in one of the axis arose as an option to reduce the number of pixels required to obtain the image, avoiding the use of mobile mirror systems which increase the complexity and the cost of the system. Once that this approach was chosen, the basic fundamentals of Leaky-Wave and Phased Array antennas were studied to learn about their properties and the principles necessaries to produce the frequency scanning. Finally, a phased array based on a feeding network with incremental electrical path length differences was chosen to obtain frequency scanning. These electrical path length differences generate different phase values on the elements of the output array, depending on the frequency of operation. Reflectors have been used to manipulate the beam and enhance the resolution of the system, but always using commercially available components to avoid major cost increments. A first prototype working in F band and using a commercial offset TV reflector was capable of acquiring the first images were simple geometries could be recognized. A second prototype was developed, including the enhancement of several aspects that were limiting the image acquisition capabilities of the first prototype, like sidelobe level reduction using windowing techniques and post processing techniques to improve the image recognition. Finally, the developed prototype antenna was integrated, together with a commercially available mirror, into a conveyor belt simulating a food industry production chain, obtaining real-time image acquisition. As a proof of concept to analyze the feasibility of using this approach at higher frequencies, a feeding network prototype at 450 GHz has also been designed and simulated, to be fabricated by silicon micromachining using a DRIE (Deep Reactive Ion Etching) process followed by metallization, as a possible high frequency future research line.