PCB-Design und -Layout für Hyperspectral Imaging

Zachariah Peterson
|  Created: April 5, 2020  |  Updated: December 28, 2020
PCB-Design und -Layout für Hyperspectral Imaging

PCB-Design und -Layout für Hyperspectral Imaging

Was einst auf die fortschrittlichsten Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt beschränkt war, ist heute in unserem Alltag allgegenwärtig. Isolierung, CCDs, Luftreiniger und andere Technologien wären ohne die soliden Weltraumprogramme der 1960er und 1970er Jahre nicht möglich gewesen. Eine weniger bekannte Technologie, die ähnliche Aufmerksamkeit verdient, ist die Fernerkundung, die seit den ersten amerikanischen und russischen Raumflügen gelegentlich in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt wird.

Die Fernerkundung im Mikrowellen-Bereich wird seit den 1970er Jahren in Satelliten für die Wettervorhersage eingesetzt, doch seitdem haben sich die entsprechenden Fernerkundungs- und Analysetechniken weiterentwickelt. Zwei dieser verwandten Techniken sind die multispektrale und das Hyperspectral Imaging (dt. hyperspektrale Bildgebung). Als leistungsstärkere Photonentechnik kann es in einer Reihe von Anwendungen wesentlich mehr Informationen liefern als die Mikrowellen-Fernerkundung.

Multispectral vs. Hyperspectral Imaging

Der Unterschied zwischen diesen beiden Arten von Systemen liegt in ihrer spektralen Auflösung. Beide bildgebenden Verfahren erfassen Bilder einer Szene oder eines Ziels in einem bestimmten Spektrum, genau wie bei einer normalen Kamera. Jedoch werden diese Bilder in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erfasst, denn die Intensitätsunterschiede liefern wichtige Informationen über Motiv. Die multispektrale Bildgebung verwendet eine kleine Anzahl breiter Wellenlängenbändern, während das Hyperspectral Imaging eine große Anzahl von schmalen Wellenlängenbändern verwendet. Die beiden Techniken liefern das gleiche Niveau an räumlicher Auflösung, jedoch bietet das Hyperspectral Imaging eine höhere spektrale Auflösung.

Hyperspectral imaging spectral bands
Multispektrale vs. hyperspektrale Abbildungsbandbreite und Bandnummer

Beide Systeme nutzen eine Lichtquelle, um das Ziel zu beleuchten, und erfassen das reflektierte/gestreute Licht mit einem Detektor. Dies erfordert die Verwendung einer Breitband-Lichtquelle (z. B. mehrere LEDs oder eine Xenon-Lampe) oder eines Breitband-Mikrowellenstrahlers. Boards für multispektrale und Hyperspectral Imaging-Systeme sind in der Regel Teil eines Gesamtsystems, das in einem Satelliten, einem Flugzeug, einer Drohne oder ein anderes Gerät integriert ist. Diese Systeme für Drohnen finden immer mehr Anwendung außerhalb des Verteidigungsbereichs, etwa in der Landwirtschaft, der Naturüberwachung, in der Geometrie, beim Monitoring von Verschmutzung/Eutrophierung, für Temperaturfeinmessungen, zum Aufspüren nicht deklarierter nuklearer Substanzen und vieles mehr.

Betrachten wir das Beispiel infrarote Messung für das Hyperspectral Imaging und Datenvisualisierung. Jedes Bildpixel weist ein Infrarotspektrum innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes auf, und jede Schicht im Würfel (siehe Abbildung) entspricht einem anderen Frequenzband. Die Bildwiedergabe entspricht lediglich dem Integral über das in einer RGB-Skala dargestellte Spektrum.

Hyperspectral imaging spectral bands
Hyperspectral imaging data cube

Beispiel infrarote der Messung von Hyperspectral Imaging und Datenvisualisierung. Jedes Bildpixel weist ein Infrarotspektrum innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes auf, und jede Schicht im dargestellten Würfel entspricht einem anderen Frequenzband. Die Bildwiedergabe entspricht lediglich dem Integral über das in einer RGB-Skala dargestellte Spektrum.

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Design und Layout

Hyperspektrale Abbildungssysteme arbeiten im Mikrowellen- oder im optischen Bereich. Mikrowellen-Multispektral- und Hyperspektral-Bildgebung sind nach wie vor in einer Vielzahl von Anwendungen im Einsatz, insbesondere bei Fernerkundungsmessungen mit hoher Reichweite. Die optische Hyperspektralabbildung wird immer beliebter, wenn Messungen mit sehr hoher Auflösung erforderlich sind.

Die jeweiligen Design- und Layout-Strategien für die verschiedenen hyperspektralen Systeme hängen davon ab, ob Sie ein optisches oder ein Mikrowellensystem konstruieren. Jeder Systemtyp weist leichte Unterschiede auf. Obwohl optische Systeme fortschrittlicher sind, sind ihre Anwendungsbereiche etwas enger gefasst, doch ist die Konstruktion und Auslegung dieser Systeme weniger anspruchsvoll. Im Gegensatz dazu kann ein Breitband-Mikrowellen-Hyperspektralbildsystem ziemlich komplex ausfallen.

Optisches Hyperspectral Imaging

Optische hyperspektrale Abbildungssysteme arbeiten überall, vom sichtbaren bis zum langwelligen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Diese Systeme müssen nicht mit hohen Taktraten arbeiten, und neigen zur Verwendung niedriger Bildwiederholraten (einige 100 FPS). Wird bei jeder Wellenlänge gemittelt, dann ist Ihre Erfassungszeit etwas länger, da mehr Einzelbilder aufgenommen und vom System verarbeitet werden müssen. Detektoren für diese Systeme sind im Handel erhältlich, und die integrierte Elektronik arbeitet nicht mit schnellen Flankenraten, wodurch viele der Probleme, die bei Super-Hochgeschwindigkeitssystemen auftreten, eliminiert werden.

Diese Systeme basieren jedoch auf CCD- oder CMOS-basierten Zeilendetektoren. Darüber hinaus setzen hoch entwickelte Systeme u. U. mechanische Modulatorelemente ein, die mit einem kleinen Motor verbunden sind, um verschiedene Wellenlängen zu trennen, was bei niederfrequenter leitungsgeführten EMI ein potenzielles Problem darstellen kann. Im Fall der auf mechanischen Modulatoren basierenden hyperspektralen Bildgebungssysteme ähnelt das Geräusch jedes motorgetriebenen Elements dem eines Lüfters. Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich von CCDs und CMOS-Sensoren zur Verwendung in der hyperspektralen Bildgebung.

Die Geräuschproblematik ist wichtig, da CCD- und CMOS-Sensoren, die für das Hyperspectral Imaging verwendet werden, anfällig für Rauschen sein können. Diese Bausteine sind von Natur aus Mixed-Signal-Bauteile, die eine ausreichende Isolierung von anderen Bereichen der Platine und entsprechende Abschirmungen erfordern. Für diese Sensoren wird normalerweise ein Lagenaufbau empfohlen, der mindestens vier Schichten umfasst. Oft können Sie für eine ausreichende Abschirmung sorgen, indem Sie eine Massefläche unter die Sensorebene verlegen.

Zudem müssen Sie einige Praktiken befolgen, die auch bei LIDAR-Laserdiodentreiberschaltkreisen verwendet werden, um einen Ripple auf dem Ausgangssignal Ihrer Lichtquelle zu verhindern. Sie müssen sich jedoch keine Gedanken über ein hochpräzises Layout der Time-to-Digital-Converterschaltung machen, es sei denn, Sie erfassen neben Spektraldaten auch Entfernungsdaten. Einige kommerzielle Drohnensysteme zur Überwachung von Nutzpflanzen bieten diese Eigenschaften, da sie neben Höhenmessungen von Pflanzen auch Zustandsinformationen zur Gesundheit der Pflanzen liefern.

Hyperspektrale Mikrowellenbildgebung

Diese Systeme können, je nach dem von Ihnen verwendeten Frequenzbereich, schwierig zu konzipieren sein und arbeiten meist zwischen 1 GHz und 1 THz, was im Übrigen dem Erfassungsbereich der meisten Mikrowellenradiometer entspricht. Sie sollten in der gleichen Weise gestaltet werden wie Platinen für Chirp-Radarmodule. Der Mikrowellen-Bereich der Platine funktioniert je nach Frequenzbereich und Anwendung am besten, wenn dieser auf einem Keramik- oder Hochfrequenzlaminat platziert ist. Ein Aluminiumkern oder Keramiksubstrat für den Mikrowellenteil ist in rauen Umgebungen, wie z. B. in einem Flugzeug, ausgesprochen nützlich.

Da es sich um eine digitale Verarbeitung handelt, bemühen Sie sich, die verschiedenen Platinenteile abzugrenzen und den Rückkanal so zu gestalten, dass Interferenzen zwischen verschiedenen Baugruppenabschnitten vermieden werden. Da Mikrowellen-Fernerkundungsanwendungen mit Emissionen im Bereich von bis zu 100 GHz verbunden sein können, sind diese zwischen analogen und digitalen Teilen der Leiterplatte ausreichend zu isolieren. Am Anfang all dieser Überlegungen stehen der richtige Lagenaufbau und die richtige Raumaufteilung.

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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