رادار الموجة المستمرة

الموسوعة الحرة
الطاقة المنقولة
الطاقة المتناثرة للخلف، والتي تحتوي على الكثير من المعلومات حول مصدر التشتت للخلف
مبدأ القياس باستخدام رادار الموجة المستمرة

الرادار ذو الموجة المستمرة ( رادار الموجة المستمرة ) هو نوع من أنظمة الرادار التي تُرسل فيها طاقة راديوية بتردد ثابت ومعروف بشكل مستمر ، ثم تُستقبل من أي أجسام عاكسة. [ 1 ] يمكن الكشف عن الأجسام الفردية باستخدام تأثير دوبلر ، الذي يجعل تردد الإشارة المستقبلة مختلفًا عن تردد الإشارة المرسلة، مما يسمح بالكشف عنها عن طريق ترشيح التردد المرسل.

يُتيح تحليل دوبلر لإشارات الرادار إمكانية استبعاد الأجسام البطيئة أو الثابتة، مما يوفر مناعة ضد التداخل الناتج عن الأجسام الثابتة الكبيرة والتشويش البطيء الحركة . [ 2 ] [ 3 ] وهذا ما يجعله مفيدًا بشكل خاص للبحث عن الأجسام على خلفية عاكسة، على سبيل المثال، يسمح للطائرات المحلقة على ارتفاعات عالية بالبحث عن الطائرات التي تحلق على ارتفاعات منخفضة على خلفية سطح الأرض. ولأن الانعكاس القوي جدًا عن السطح يُمكن استبعاده، فإنه يظل بالإمكان رؤية الانعكاس الأضعف بكثير من الهدف.

تُستخدم أنظمة الرادار ذات الموجة المستمرة في طرفي نطاق الطيف.

  • أجهزة قياس الارتفاع اللاسلكية غير المكلفة، وأجهزة استشعار التقارب، والملحقات الرياضية التي تعمل على ارتفاعات تتراوح من بضعة عشرات من الأقدام إلى عدة كيلومترات
  • رادار الإنذار المبكر ذو زاوية التتبع المستمر (CWAT) باهظ الثمن ، يعمل على مسافة تزيد عن 100  كيلومتر، ويُستخدم مع أنظمة صواريخ أرض-جو.

عملية

تتمثل الميزة الرئيسية لرادار الموجة المستمرة في أن الطاقة لا تُبث على شكل نبضات ، مما يجعله أسهل بكثير في التصنيع والتشغيل. ولا يوجد له مدى أدنى أو أقصى، على الرغم من أن مستوى طاقة البث يفرض حدًا عمليًا على المدى. ويعمل رادار الموجة المستمرة على زيادة إجمالي الطاقة المُسلطة على الهدف إلى أقصى حد، لأن جهاز الإرسال يبث بشكل مستمر.

يستخدم الجيش رادار الموجة المستمرة لتوجيه صواريخ جو-جو شبه النشطة الموجهة بالرادار ( SARH) ، مثل صاروخ AIM-7 Sparrow الأمريكي وعائلة صواريخ Standard . تُسلط الطائرة المُطلقة إشارة رادار الموجة المستمرة على الهدف، ويتتبع الصاروخ مساره عبر الموجات الراديوية المنعكسة . ونظرًا لتحرك الصاروخ بسرعات عالية بالنسبة للطائرة، يحدث انزياح دوبلر قوي. تحتوي معظم رادارات القتال الجوي الحديثة، حتى تلك المزودة بتقنية دوبلر النبضية ، على وظيفة الموجة المستمرة لأغراض توجيه الصواريخ .

تُحدد أقصى مسافة في رادار الموجة المستمرة من خلال عرض النطاق الترددي الإجمالي وقدرة جهاز الإرسال. ويتحدد عرض النطاق الترددي هذا بعاملين.

  • كثافة الطاقة المنقولة (واط لكل هرتز)
  • حجم مرشح جهاز الاستقبال (عرض النطاق الترددي مقسومًا على العدد الإجمالي للمرشحات)

تؤدي مضاعفة طاقة الإرسال إلى زيادة مدى الإرسال بنحو 20%. كما أن تقليل إجمالي ضوضاء إرسال FM إلى النصف له نفس التأثير.

تختلف أجهزة الاستقبال في نطاق التردد المستخدمة في أجهزة استقبال رادار دوبلر ذي الموجة المستمرة اختلافًا كبيرًا عن أجهزة استقبال الرادار التقليدية. يتكون جهاز الاستقبال من مجموعة من المرشحات، عادةً ما يزيد عددها عن 100 مرشح. ويحدد عدد المرشحات أقصى مدى لأداء الرادار.

يؤدي مضاعفة عدد مرشحات الاستقبال إلى زيادة مدى الإشارة بنسبة 20% تقريبًا. ويتحقق أقصى مدى للإشارة عندما يكون حجم مرشح الاستقبال مساويًا لأقصى تشويش FM في إشارة الإرسال. ولن يؤدي تقليل حجم مرشح الاستقبال إلى أقل من متوسط ​​تشويش إرسال FM إلى تحسين مدى الإشارة.

يقال إن رادار الموجة المستمرة متطابق عندما يتطابق حجم مرشح جهاز الاستقبال مع عرض النطاق الترددي RMS لضوضاء FM على إشارة الإرسال.

الأنواع

يوجد نوعان من رادارات الموجة المستمرة: رادارات الموجة المستمرة غير المعدلة ورادارات الموجة المستمرة المعدلة .

موجة مستمرة غير معدلة

تغير الطول الموجي الناتج عن حركة المصدر

قد لا تتجاوز تكلفة هذا النوع من الرادارات 10 دولارات (عام 2021) . تنحرف ترددات الارتداد عن تردد الإرسال بفعل تأثير دوبلر عند حركة الأجسام. ولا توجد طريقة لتقدير المسافة. يُستخدم هذا النوع من الرادارات عادةً في الرياضات التنافسية، مثل الغولف والتنس والبيسبول وسباقات ناسكار ، وبعض الأجهزة المنزلية الذكية كالمصابيح الكهربائية وأجهزة استشعار الحركة.

يعتمد تغير تردد دوبلر على سرعة الضوء في الهواء ( c' ≈ c/1.0003 أبطأ قليلاً من سرعته في الفراغ) وسرعة الهدف v : [ 4 ]

ور=وت(1+v/ج′1-v/ج′){\displaystyle f_{r}=f_{t}\left({\frac {1+v/c'}{1-v/c'}}\right)}

وبالتالي فإن تردد دوبلر هو: [ 5 ]

ود=ور-وت=2vوتج′-v{\displaystyle f_{d}=f_{r}-f_{t}=2v{\frac {f_{t}}{c'-v}}}

بما أن التغير المعتاد في سرعة الأهداف بالنسبة للرادار أصغر بكثير منج′،(v≪ج′){\displaystyle c',(v\ll c')}، من الممكن التبسيط باستخدامج′-v≈ج′{\displaystyle c'-v\approx c'} :

ود≈2vوتج′{\displaystyle f_{d}\approx 2v{\frac {f_{t}}{c'}}}

لا يكشف الرادار ذو الموجة المستمرة بدون تعديل التردد (FM) إلا الأهداف المتحركة، لأن الأهداف الثابتة (على خط الرؤية ) لا تُحدث انزياحًا دوبلريًا. وتُحجب الإشارات المنعكسة من الأجسام الثابتة والبطيئة الحركة بواسطة إشارة الإرسال، مما يُطغى على انعكاسات الأجسام البطيئة الحركة أثناء التشغيل العادي.

موجة مستمرة معدلة

الرادار ذو الموجة المستمرة المعدلة التردد (FM-CW) - ويُسمى أيضًا رادار الموجة المستمرة المعدلة التردد (CWFM) [ 6 ] - هو رادار قياس قصير المدى قادر على تحديد المسافة. يُعزز هذا من موثوقية الرادار بتوفيره قياس المسافة إلى جانب قياس السرعة، وهو أمر بالغ الأهمية عند وجود أكثر من مصدر انعكاس يصل إلى هوائي الرادار. يُستخدم هذا النوع من الرادار غالبًا كـ" مقياس ارتفاع راداري " لقياس الارتفاع بدقة أثناء هبوط الطائرات. [ 7 ] كما يُستخدم أيضًا كرادار إنذار مبكر، ورادار موجي ، ومستشعرات تقارب. لا يُشترط دائمًا وجود إزاحة دوبلر للكشف عند استخدام تعديل التردد. في حين صُممت التطبيقات المبكرة، مثل مقياس الارتفاع الراداري APN-1 في أربعينيات القرن العشرين، للمدى القصير، فإن رادارات ما وراء الأفق (OTHR)، مثل شبكة رادار جندالي التشغيلية (JORN)، مُصممة لمسح مسافات عابرة للقارات تصل إلى آلاف الكيلومترات.  

في هذا النظام، تتغير إشارة الموجة المستمرة ذات التردد الثابت والمعروفة صعودًا وهبوطًا خلال فترة زمنية محددة بفعل إشارة تعديل. ويزداد فرق التردد بين إشارة الاستقبال وإشارة الإرسال مع التأخير، وبالتالي مع المسافة. يؤدي هذا إلى تشويش إشارة دوبلر. ثم تُخلط أصداء الهدف مع إشارة الإرسال لإنتاج إشارة خفقان تُحدد مسافة الهدف بعد فك التضمين.

تتوفر مجموعة متنوعة من التعديلات، ويمكن أن يتغير تردد جهاز الإرسال صعودًا وهبوطًا على النحو التالي:

يقتصر نطاق فك التشفير على ربع طول موجة التشفير المرسل.  ويبلغ نطاق القياس لتردد 100 هرتز FM حوالي 500  كيلومتر. ويعتمد هذا الحد على نوع التشفير وفك التشفير. وينطبق ما يلي بشكل عام.

نطاق مجهز بأجهزة قياس=Fر-Fت=سرعة الضوء(4×تردد التعديل){\displaystyle {\text{المدى المُجهز}}=F_{r}-F_{t}={\frac {\text{سرعة الضوء}}{(4\times {\text{تردد التعديل}})}}}

سيُبلغ الرادار عن مسافة غير صحيحة عند رصد انعكاسات من مسافات تتجاوز نطاق القياس، مثل انعكاسات القمر. وتكون قياسات مدى FMCW موثوقة فقط لحوالي 60% من نطاق القياس، أو حوالي 300  كيلومتر لتردد 100  هرتز FM.

تعديل تردد السن المنشاري

تحديد المدى باستخدام نظام رادار FM-CW: إذا كان الخطأ ناتجًا عن تردد دوبلر محتملود{\displaystyle f_{D}}يمكن تجاهل ذلك، وإذا تم تعديل تردد طاقة جهاز الإرسال خطيًا، فإن التأخير الزمني (Δت{\displaystyle \Delta t}) يتناسب مع الفرق بين الإشارة المرسلة والإشارة المستقبلة (Δو{\displaystyle \Delta f}) في أي وقت.

يُعدّ تعديل الموجة المنشارية الأكثر استخدامًا في رادارات FM-CW حيث يُراد تحديد المدى للأجسام التي لا تحتوي على أجزاء دوارة. تُدمج معلومات المدى مع سرعة دوبلر باستخدام هذه التقنية. ويمكن إيقاف التعديل في عمليات المسح البديلة لتحديد السرعة باستخدام إزاحة تردد الموجة الحاملة غير المعدلة. يُتيح ذلك تحديد المدى والسرعة باستخدام جهاز رادار واحد. ويمكن استخدام تعديل الموجة المثلثية لتحقيق الهدف نفسه.

كما هو موضح في الشكل، فإن الموجة المستقبلة (باللون الأخضر) هي ببساطة نسخة متأخرة من الموجة المرسلة (باللون الأحمر). يُستخدم تردد الإرسال لتحويل إشارة الاستقبال إلى تردد النطاق الأساسي ، ويزداد مقدار انزياح التردد بين إشارة الإرسال والإشارة المنعكسة مع زيادة التأخير الزمني (المسافة). وبالتالي، يُعد التأخير الزمني مقياسًا للمدى؛ إذ ينتج عن الانعكاسات القريبة تشتت ترددي صغير، بينما يتوافق التشتت الترددي الأكبر مع تأخير زمني أطول ومدى أبعد.

مع ظهور الإلكترونيات الحديثة، تُستخدم معالجة الإشارات الرقمية في معظم عمليات الكشف. تُمرر إشارات التداخل عبر محول تناظري إلى رقمي ، ثم تُجرى المعالجة الرقمية على الناتج.

إشارة الإرسالx(ت){\displaystyle x(t)}يتكون رادار FM-CW ذو شكل سن المنشار من منحدر واحد أو عدة منحدرات (انظر الشكل). يبدأ المنحدر الواحد بترددو0{\displaystyle f_{0}}ويزداد خطيًا مع الميلα{\displaystyle \alpha }.

و(ت)=و0+αت،{\displaystyle f(t)=f_{0}+\alpha t,}

ينتهي المنحدر بعد مدة زمنيةتي{\displaystyle T}وقد غطى نطاقًا تردديًاب=αتي{\displaystyle B=\alpha T}.

خلال فترة صعود واحد، تكون إشارة الإرسال عبارة عن دالة جيب تمام مُقاسة.

x(ت)=أتxكوس⁡(ϕ(ت))=أتx⋅كوس⁡(2π[و0+α2ت]ت){\displaystyle x(t)=a_{\mathrm {tx} }\cos \left(\phi (t)\right)=a_{\mathrm {tx} }\cdot \cos \left(2\pi \left[f_{0}+{\frac {\alpha }{2}}t\right]t\right)}

التردد اللحظي هو 12π⋅دϕ(ت)دت=و(ت){\displaystyle {\frac {1}{2\pi }}\cdot {\frac {\mathrm {d} \phi (t)}{\mathrm {d} t}}=f(t)}

يستقبل الرادار الإشارةy(ت){\displaystyle y(t)}وهو مجموعك{\displaystyle K}نسخ مخمدة ومتأخرة من الإشارةx(ت){\displaystyle x(t)}.

y(ت)=∑ك=0ك-1بكx(ت-τك){\displaystyle y(t)=\sum _{k=0}^{K-1}b_{k}x(t-\tau _{k})}

التأخيراتτك{\displaystyle \tau _{k}}يشير هذا إلى الوقت الذي تستغرقه الإشارة للانتقال من الرادار إلى الجسم المراد تصويره والعودة إلى الرادار. يعتمد هذا الوقت على المسافة الأولية بين الرادار والجسم.ر{\displaystyle r}والشيء في ذلك الوقتت=0{\displaystyle t=0}، على السرعة النسبيةv{\displaystyle v}وعلى سرعة الضوء في الوسط (معج′=ج/ن{\displaystyle c'=c/n}ون=1{\displaystyle n=1}في الفراغ ون=1.0003{\displaystyle n=1.0003}(للهواء)

τك=2رج′-2vج′ت{\displaystyle \tau _{k}={\frac {2r}{c'}}-{\frac {2v}{c'}}t}

يقوم الرادار بمزج (مضاعفة) الإشارة المستقبلةy(ت){\displaystyle y(t)}مع الإشارة المرسلةx(ت){\displaystyle x(t)}ويطبق مرشح تمرير منخفض. ويمكن تقريب الإشارة "المخففة" الناتجة كمجموع لدوال جيب التمام.

yدهـرأمصهـد(ت)≈∑ك=0ك-1أتxبككوس⁡(2πوب،كت+φك){\displaystyle y_{\mathrm {deramped}}(t)\approx \sum _{k=0}^{K-1}a_{\mathrm {tx} }b_{k}\cos \left(2\pi f_{\mathrm {b} ,k}t+\varphi _{k}\right)}

كل جيب تمام من هذه الجيوب يمثل مسارًا قطعته الإشارة من الرادار إلى جسم ما ثم عادت إلى الرادار. التردداتوب،ك{\displaystyle f_{\mathrm {b} ,k}}تُسمى هذه الترددات بترددات الخفقان .

وب،ك=2αركج′-2vكوجج′،{\displaystyle f_{\mathrm {b} ,k}={\frac {2\alpha r_{k}}{c'}}-{\frac {2v_{k}f_{\mathrm {c} }}{c'}},}

تعتمد ترددات النبض على المسافة (المدى).رك{\displaystyle r_{k}}بين الرادار والجسمك{\displaystyle k}بسرعة الضوء، على المنحدرα{\displaystyle \alpha }، السرعة النسبيةvك{\displaystyle v_{k}}كائنك{\displaystyle k}فيما يتعلق بالرادار، وعلى تردد الموجة الحاملةوج=و0+ب/2{\displaystyle f_{\mathrm {c} }=f_{0}+B/2}.

بما أن تردد الخفقان يحتوي على المسافةرك{\displaystyle r_{k}}بالنسبة للجسم والسرعةvك{\displaystyle v_{k}}بالنسبة للكائن، فإنه من غير الممكن بشكل عام فصل الكميتين من موجة سن المنشار المنقولة فقط.

إذا كانت السرعة صفرًا أو إذاvوج{\displaystyle vf_{\mathrm {c} }}وهو ضئيل مقارنة بـαرك{\displaystyle \alpha r_{k}}يمكن حساب المسافة عبر

رك=ج′وب،ك2α.{\displaystyle r_{k}={\frac {c'f_{\mathrm {b} ,k}}{2\alpha }}.}

كما ذُكر أعلاه، فإن الإشارة المُزالة منها التدرج هي عبارة عن تراكب لدوال جيب التمام. ينتج عن ذلك غموضٌ متأصل في تقدير المسافة (بافتراض ثبات الأجسام). ووفقًا لنظرية نايكويست-شانون لأخذ العينات ، فإن أقصى تردد يمكن استعادته بعد أخذ العينات يساوي نصف تردد أخذ العينات.وS{\displaystyle f_{\mathrm {S} }}وبالتالي، فإن أقصى تردد للخفقان يمكن ملاحظته بعد أخذ العينات هووب،مأx=وS/2{\displaystyle f_{\mathrm {b} ,\mathrm {max} }=f_{\mathrm {S} }/2}وهذا يعني أقصى مدىرمأx{\displaystyle r_{\mathrm {max} }}يُطلق على هذا الغموض اسم النطاق الأقصى غير المبهم .

رمأx=وSج′4α=وSج′تي4ب{\displaystyle r_{\mathrm {max} }={\frac {f_{\mathrm {S} }c'}{4\alpha }}={\frac {f_{\mathrm {S} }c'T}{4B}}}

يعتمد النطاق الأقصى غير المبهم على تردد أخذ العيناتوS{\displaystyle f_{\mathrm {S} }}، بسرعة الضوءج′{\displaystyle c'}وعلى ميل الترددα{\displaystyle \alpha }(أو ما يعادل ذلك على طولتي{\displaystyle T}من السن المنشاري وعرض النطاق الترددي المغطىب{\displaystyle B}).

بدون أي معلومات إضافية، لا يستطيع رادار FM-CW المزود بتعديل تردد سن المنشار التمييز بين مسافةر{\displaystyle r}ومسافةر′=ر+نرمأx{\displaystyle r'=r+nr_{\mathrm {max} }}، لأي عدد صحيحن{\displaystyle n}ستؤدي كلتا المسافتين إلى نفس تردد الخفقان. عادةً، يُفترض أن النطاقات فقطر=0...رمأx{\displaystyle r=0\ldots r_{\mathrm {max} }}موجودون.

لأسباب عملية، لا تتم معالجة عينات الاستقبال لفترة وجيزة بعد بدء مرحلة التضمين، لأن الانعكاسات الواردة ستكون متأثرة بالتضمين من دورة التضمين السابقة. وهذا يفرض حدًا على المدى ويحد من الأداء.

حد النطاق=0.5 ج′ ترأدأر{\displaystyle {\text{Range Limit}}=0.5\ c'\ t_{radar}}،

تعديل التردد الجيبي

رسوم متحركة لإشارات الصوت و AM و FM
تحدد تعديلات FM الجيبية المدى عن طريق قياس مقدار انتشار الطيف الناتج عن تأخير الانتشار (لا يتم استخدام AM مع FMCW).

تُستخدم تقنية تعديل التردد الجيبي عندما يكون قياس كل من المدى والسرعة مطلوبًا في آنٍ واحد للأجسام المعقدة ذات الأجزاء المتحركة المتعددة، مثل شفرات مراوح التوربينات أو شفرات المروحيات أو المراوح. تقلل هذه المعالجة من تأثير تعديل الطيف المعقد الناتج عن الأجزاء الدوارة، والذي يُدخل أخطاءً في عملية قياس المدى.

تتميز هذه التقنية أيضًا بميزة أن جهاز الاستقبال لا يحتاج أبدًا إلى التوقف عن معالجة الإشارات الواردة لأن شكل موجة التضمين مستمر بدون تضمين نبضي.

يتخلص جهاز الاستقبال من تعديل التردد الجيبي (FM) عند الانعكاسات القريبة، لأن تردد الإرسال يكون مساويًا لتردد الانعكاس. أما طيف الأجسام البعيدة فيحتوي على تعديل أكبر. ويتناسب مقدار انتشار الطيف الناتج عن التعديل المصاحب لإشارة الاستقبال طرديًا مع المسافة إلى الجسم العاكس.

صيغة المجال الزمني لـ FM هي:

y(ت)=كوس⁡{2π[وج+بكوس⁡(2πومت)]ت}{\displaystyle y(t)=\cos \left\{2\pi [f_{c}+\mathrm {B} \cos \left(2\pi f_{m}t\right)]t\right\}\,}
أينب=وΔوم{\displaystyle \mathrm {B} ={\frac {f_{\Delta }}{f_{m}}}}(مؤشر التعديل)

يتم إدخال تأخير زمني في عملية الانتقال بين الرادار والعاكس.

y(ت)=كوس⁡{2π[وج+بكوس⁡(2πوم(ت+دلتات))](ت+دلتات)}{\displaystyle y(t)=\cos \left\{2\pi [f_{c}+\mathrm {B} \cos \left(2\pi f_{m}(t+\delta t)\right)](t+\delta t)\right\}\,}
أيندلتات={\displaystyle \delta t=}تأخير زمني

تقوم عملية الكشف بتحويل إشارة الاستقبال إلى إشارة أقل ترددًا باستخدام إشارة الإرسال. وهذا يلغي إشارة الموجة الحاملة.

y(ت)=كوس⁡{2π[وج+بكوس⁡(2πوم(ت+دلتات))](ت+دلتات)}كوس⁡{2π[وج+بكوس⁡(2πومت)]ت}{\displaystyle y(t)=\cos \left\{2\pi [f_{c}+\mathrm {B} \cos \left(2\pi f_{m}(t+\delta t)\right)](t+\delta t)\right\}\;\cos \left\{2\pi [f_{c}+\mathrm {B} \cos \left(2\pi f_{m}t\right)]t\right\}\,}
y(ت)≈كوس⁡{-4تπبالخطيئة⁡(2πوم(2ت+دلتات)الخطيئة⁡(πومدلتات)+2دلتاتπبكوس⁡(2πوم(ت+دلتات))}{\displaystyle y(t)\approx \cos \left\{-4t\pi \mathrm {B} \sin(2\pi f_{m}(2t+\delta t)\sin(\pi f_{m}\delta t)+2\delta t\pi \mathrm {B} \cos(2\pi f_{m}(t+\delta t))\right\}\,}

يمكن ملاحظة قاعدة كارسون لعرض النطاق الترددي في هذه المعادلة، وهي تقريب دقيق لتحديد مقدار الانتشار الموضوع على طيف الاستقبال:

انتشار طيف التعديل≈2(ب+1)ومالخطيئة⁡(دلتات){\displaystyle {\text{Modulation Spectrum Spread}}\approx 2(\mathrm {B} +1)f_{m}\sin(\delta t)}
يتراوح=0.5ج/دلتات{\displaystyle {\text{Range}}=0.5C/\delta t}

تُستخدم عملية إزالة التضمين من جهاز الاستقبال مع تقنية FMCW، على غرار استراتيجية إزالة التضمين المستخدمة مع ضغط النبضات. وتتم هذه العملية قبل معالجة كشف CFAR بتقنية دوبلر . ولأسباب عملية، يلزم استخدام معامل تضمين كبير.

تُطبّق الأنظمة العملية تعديل التردد العكسي على إشارة الاستقبال باستخدام معالجة الإشارات الرقمية قبل استخدام تحويل فورييه السريع لإنتاج الطيف. وتُكرر هذه العملية مع عدة قيم مختلفة لإزالة التضمين. ويُحدد المدى بتحديد طيف الاستقبال عند أدنى عرض له.

تقوم الأنظمة العملية أيضًا بمعالجة عينات الاستقبال لعدة دورات من FM من أجل تقليل تأثير القطع الأثرية لأخذ العينات.

التكوينات

مخطط كتلي لوحدة رادار بسيطة تعمل بموجة مستمرة: يقدم العديد من المصنعين وحدات الإرسال والاستقبال هذه ويعيدون تسميتها باسم "مستشعرات رادار دوبلر".

هناك نوعان مختلفان من تكوينات الهوائي المستخدمة مع رادار الموجة المستمرة: الرادار أحادي الاستاتيكية ، والرادار ثنائي الاستاتيكية .

أحادي الحالة الثابتة

يقع هوائي استقبال الرادار بالقرب من هوائي إرسال الرادار في الرادار أحادي الموقع .

عادةً ما يكون استخدام دائرة إلغاء التغذية ضروريًا للتخلص من التداخل بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال لزيادة الحساسية في الأنظمة العملية. ويُستخدم هذا عادةً مع أجهزة استقبال رادار تتبع الزاوية بالموجة المستمرة (CWAT) المتوافقة مع أنظمة صواريخ أرض-جو .

يمكن استخدام تقنية الموجة المستمرة المتقطعة للتخلص من التداخل بين هوائي الإرسال والاستقبال. عادةً ما يأخذ هذا النوع من الأنظمة عينة واحدة بين كل زوج من نبضات الإرسال، ويكون معدل أخذ العينات عادةً 30 كيلوهرتز أو أكثر. تُستخدم هذه التقنية مع أنواع الرادار الأقل تكلفة، مثل تلك المستخدمة في مراقبة حركة المرور والفعاليات الرياضية. 

يمكن بناء رادارات FM-CW بهوائي واحد باستخدام إما جهاز تدوير أو استقطاب دائري .

ثنائي الاستاتيكية

يقع هوائي استقبال الرادار بعيدًا عن هوائي إرسال الرادار في الرادار ثنائي الاستقرار . جهاز الإرسال باهظ الثمن نسبيًا، بينما جهاز الاستقبال رخيص الثمن ويمكن التخلص منه.

يُستخدم هذا النظام عادةً مع أنظمة التوجيه الراداري شبه النشط، بما في ذلك معظم أنظمة صواريخ أرض-جو . يقع رادار الإرسال عادةً بالقرب من منصة إطلاق الصاروخ، بينما يقع جهاز الاستقبال داخل الصاروخ نفسه.

يقوم هوائي الإرسال بإضاءة الهدف بنفس طريقة عمل كشاف البحث . كما يقوم هوائي الإرسال بإصدار عينة شاملة الاتجاهات .

يستخدم جهاز الاستقبال هوائيين - أحدهما موجه نحو الهدف والآخر موجه نحو هوائي الإرسال. يُستخدم هوائي الاستقبال الموجه نحو هوائي الإرسال لإنشاء نقطة انعدام التغذية ، مما يسمح لجهاز الاستقبال المستهدف بالعمل بكفاءة في أو بالقرب من الحزمة الرئيسية للهوائي. 

قد يتخذ زوج جهاز الاستقبال والإرسال ثنائي الاستقرار بتقنية FM-CW شكل نظام إزالة التشويش عبر الهواء (OTAD). يبث جهاز إرسال OTAD إشارة FM-CW على قناتين تردديتين مختلفتين؛ إحداهما لمزامنة جهاز الاستقبال مع جهاز الإرسال، والأخرى لإضاءة منطقة القياس. باستخدام هوائيات توجيهية، يستقبل جهاز استقبال OTAD الإشارتين في آنٍ واحد، ويمزج إشارة المزامنة مع إشارة الصدى المُخفَّضة التردد من منطقة القياس في عملية تُعرف بإزالة التشويش عبر الهواء. يتناسب تردد الإشارة المُزالة التشويش طرديًا مع المدى ثنائي الاستقرار إلى الهدف مطروحًا منه المسافة الأساسية بين جهاز إرسال OTAD وجهاز استقبال OTAD. [ 8 ]

تستخدم معظم أنظمة الرادار الحديثة من نوع FM-CW هوائي إرسال واحد وعدة هوائيات استقبال. ولأن جهاز الإرسال يعمل باستمرار على نفس تردد جهاز الاستقبال تقريبًا، يجب توخي الحذر الشديد لتجنب تحميل مراحل الاستقبال فوق طاقتها.

نبضة أحادية

تُنتج هوائيات أحادية النبضة قياسات زاوية دون نبضات أو أي تعديل آخر. تُستخدم هذه التقنية في تحديد موقع الرادار شبه النشط .

تسرب

في الأنظمة العملية، ستتسرب إشارة الإرسال إلى جهاز الاستقبال. وينتج هذا التسرب بشكل ملحوظ عن انعكاسات البيئة المحيطة حتى مع استخدام مكونات هوائي مثالية.  ويتطلب تحقيق أداء مقبول خفض مستوى التسرب بمقدار يصل إلى 120 ديسيبل.

يمكن استخدام ثلاثة مناهج لإنتاج نظام عملي يعمل بشكل صحيح.

  • باطل
  • فلتر
  • مقاطعة

يجب استخدام أساليب التصفية والتنقيح مع الرادار ثنائي الاستقرار، مثل التوجيه الراداري شبه النشط ، لأسباب عملية، لأن الفصوص الجانبية من رادار الإضاءة ستضيء البيئة المحيطة بالإضافة إلى إضاءة الفص الرئيسي للهدف. وتنطبق قيود مماثلة على رادارات الموجة المستمرة الأرضية. وهذا يزيد من التكلفة.

ينطبق هذا التداخل على أنظمة الرادار أحادية الموقع المحمولة الرخيصة (رادار الشرطة والسلع الرياضية). وهو أمر غير عملي بالنسبة للأنظمة ثنائية الموقع نظرًا للتكلفة والتعقيد المرتبطين بتنسيق الوقت بدقة نانوثانية في موقعين مختلفين.

إن قيد التصميم الذي يدفع هذا المطلب هو محدودية النطاق الديناميكي لمكونات جهاز الاستقبال العملية التي تتضمن مرشحات تمرير النطاق التي تستغرق وقتًا للاستقرار.

العدم ، المعروف أيضًا باسم إلغاء الإشارة

يعتمد النهج الصفري على إشارتين:

  • عينة من إشارة الإرسال المتسربة إلى جهاز الاستقبال
  • عينة من إشارة الإرسال الفعلية

تُدار إشارة الإرسال الفعلية 180 درجة، ثم تُخفف، وتُغذى إلى جهاز الاستقبال. ويتم ضبط إزاحة الطور والتخفيف باستخدام التغذية الراجعة المُستقاة من جهاز الاستقبال لإلغاء معظم التسرب. ويتراوح التحسن النموذجي بين 30  و70  ديسيبل.

فلتر

تعتمد تقنية الترشيح على استخدام مرشح رفض نطاق ضيق للغاية، يعمل على إزالة الإشارات منخفضة السرعة من العواكس القريبة. ويتراوح نطاق رفض النطاق بين 10 أميال في الساعة و100 ميل في الساعة، وذلك بحسب الظروف البيئية المتوقعة. ويتراوح التحسن النموذجي بين 30  و70  ديسيبل.

مقاطعة، FMICW

على الرغم من أن أنظمة الموجة الحاملة المتقطعة لا تعتبر أنظمة موجة مستمرة، إلا أن خصائص الأداء متشابهة بدرجة كافية لتجميع أنظمة الموجة المستمرة المتقطعة مع رادار الموجة المستمرة النقي لأن معدل النبض مرتفع بما يكفي بحيث لا يمكن إجراء قياسات المدى بدون تعديل التردد (FM).

تُعطّل هذه التقنية جهاز الإرسال لفترة قبل بدء عملية أخذ العينات من جهاز الاستقبال. ينخفض ​​تداخل جهاز الاستقبال بمقدار 8.7  ديسيبل لكل ثابت زمني . ويتطلب خفض التسريب بمقدار 120  ديسيبل 14 ثابتًا زمنيًا لاستعادة عرض النطاق الترددي بين لحظة إيقاف تشغيل جهاز الإرسال ولحظة بدء أخذ العينات من جهاز الاستقبال.

يُستخدم مفهوم التشويش على نطاق واسع، لا سيما في تطبيقات الرادار بعيدة المدى حيث تُعد حساسية جهاز الاستقبال بالغة الأهمية. ويُعرف هذا المفهوم باسم "الموجة المستمرة المتقطعة المعدلة التردد" أو FMICW.

المزايا

بفضل بساطتها، تتميز رادارات الموجة المستمرة بانخفاض تكلفة تصنيعها، وقلة أعطالها، وانخفاض تكلفة صيانتها، وإمكانية تشغيلها آلياً بالكامل. بعضها صغير الحجم بما يكفي لحمله في الجيب. أما أنظمة رادارات الموجة المستمرة الأكثر تطوراً، فتستطيع تحقيق كشف دقيق وموثوق على  مسافة تتجاوز 100 كيلومتر، مع توفير إضاءة للصواريخ.

يمكن ضغط إشارة FMCW لتوفير نسبة إشارة إلى ضوضاء أعلى، مما يُغني عن الحاجة إلى الطاقة الإضافية التي يتطلبها رادار النبضات الذي لا يستخدم تعديل FM. إضافةً إلى ذلك، وبفضل تماسك الإشارة، يُمكن استخدام تكامل فورييه بدلاً من التكامل السمتي، مما يوفر نسبة إشارة إلى ضوضاء فائقة وقياسًا دقيقًا لتأثير دوبلر.

تتيح معالجة دوبلر دمج الإشارات بين عينات الاستقبال المتتالية. وهذا يعني إمكانية زيادة عدد العينات لتوسيع نطاق الكشف دون زيادة طاقة الإرسال. ويمكن استخدام هذه التقنية لإنتاج رادارات خفية منخفضة الطاقة وغير مكلفة.

ولهذا السبب، فإن أداء الموجة المستمرة مشابه لأداء رادار دوبلر النبضي .

القيود

لا يستطيع رادار الموجة المستمرة غير المعدل قياس المسافة. يوفر سعة الإشارة الطريقة الوحيدة لتحديد الجسم الذي يتوافق مع قياس السرعة عند وجود أكثر من جسم متحرك بالقرب من جهاز الاستقبال، ولكن معلومات السعة غير مفيدة دون قياس المدى لتقييم حجم الهدف. تشمل الأجسام المتحركة الطيور التي تحلق بالقرب من الأجسام الموجودة أمام الهوائي. قد تطغى الانعكاسات من الأجسام الصغيرة الموجودة مباشرة أمام جهاز الاستقبال على الانعكاسات التي تدخل الفصوص الجانبية للهوائي من الأجسام الكبيرة الموجودة على الجانب أو أعلى أو خلف الرادار، مثل الأشجار التي تهب الرياح عبر أوراقها، والأعشاب الطويلة، وسطح البحر، وقطارات الشحن، والحافلات، والشاحنات، والطائرات.

لا تكون أنظمة الرادار الصغيرة التي تفتقر إلى تعديل المدى موثوقة إلا عند استخدامها مع جسم واحد في بيئة معقمة خالية من النباتات والطائرات والطيور والظواهر الجوية والمركبات الأخرى القريبة.

مع وجود فصوص جانبية للهوائي بقوة 20  ديسيبل ، يمكن لشاحنة أو شجرة ذات سطح عاكس مساحته 1000 قدم مربع خلف الهوائي أن تُنتج إشارة قوية تُعادل إشارة سيارة ذات سطح عاكس مساحته 10 أقدام مربعة أمام هوائي صغير محمول باليد. يلزم إجراء مسح للمنطقة لتحديد مدى موثوقية عمل الأجهزة المحمولة باليد، لأن حركة المرور غير المرئية على الطريق والأشجار خلف المشغل قد تُؤثر على عمليات الرصد التي تتم أمامه.

هذه مشكلة شائعة في أجهزة قياس السرعة بالرادار المستخدمة من قبل ضباط إنفاذ القانون، وفي سباقات ناسكار، وفي رياضات مثل البيسبول والجولف والتنس. يؤدي التداخل من رادار آخر، أو تشغيل السيارة، أو الأجسام المتحركة الأخرى، أو شفرات المروحة المتحركة على الهدف المقصود، أو مصادر الترددات الراديوية الأخرى، إلى تشويه القياسات. تُحد هذه الأنظمة بطول الموجة، الذي يبلغ 0.02 متر في نطاق Ku ، لذا يتجاوز انتشار الشعاع 45 درجة إذا كان حجم الهوائي أقل من 12  بوصة (0.3 متر). تمتد الفصوص الجانبية للهوائي بشكل ملحوظ في جميع الاتجاهات ما لم يكن حجم الهوائي أكبر من حجم المركبة التي يُركّب عليها الرادار. [ 9 ]

يتطلب التشغيل الموثوق به كبح الفصوص الجانبية وتعديل نطاق التردد FM. لا يمكن تحديد اتجاه الإشارة الواصلة بدون كبح الفصوص الجانبية، الأمر الذي يستلزم هوائيين أو أكثر، لكل منهما جهاز استقبال خاص به. كما لا يمكن تحديد المسافة بدون تعديل نطاق التردد FM.

السرعة والاتجاه والمسافة كلها مطلوبة لاختيار جسم معين.

وتعود هذه القيود إلى القيود المعروفة للفيزياء الأساسية التي لا يمكن التغلب عليها بالتصميم.

انظر أيضاً

فهرس

مراجع

  1. ↑ "رادار الموجة المستمرة" . اتحاد العلماء الأمريكيين.
  2. ↑ سريفاستاف، أ.؛ نغوين، ب.؛ ماكونيل، م.؛ لوبارو، ك.ن.؛ ماندال، س. (أكتوبر 2020). "نظام رادار رقمي متعدد الهوائيات عالي الكفاءة لاختراق الأرض" . معاملات IEEE في مجال الأجهزة والقياس . 69 (10): 7422-7436 . Bibcode : 2020ITIM...69.7422S . doi : 10.1109/TIM.2020.2984415 . S2CID 216338273 . 
  3. ↑ "رادار الموجة المستمرة" . Radartutorial.eu.
  4. ↑ ديتشبورن، ر. و. (1991) [1961]. الضوء . منشورات دوفر. ص 331-333 . ISBN  0-486-66667-0.
  5. ↑ جيمس م. ريدنور (1947). هندسة أنظمة الرادار . سلسلة مختبر الإشعاع بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. المجلد 1. ص 629.  
  6. ↑ جيم ليسرف. "أشكال محسنة من الرادار" . تاريخ الوصول: 24-01-2014.
  7. ↑ "رادار الموجة المستمرة المعدل التردد" . Radartutorial . تم الاسترجاع في 2012-08-07 .
  8. ↑ M. Ash et al. , A New Multistatic FMCW Radar Architecture By Over-The-Air Deamping, IEEE Sensors Journal , No. 99, 2015.
  9. ↑ "Ranger EZ" . شركة MPH للصناعات. مؤرشف من الأصل بتاريخ 19 سبتمبر 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 سبتمبر 2011 .