مصفوفة هوائيات رقمية

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 16 صور
الموسوعة الحرة
مصفوفة هوائيات رقمية (جزء الاستقبال)
مصفوفة هوائيات رقمية (جزء جهاز الإرسال)

مصفوفة الهوائيات الرقمية (DAA) هي هوائي ذكي مزود بتقنية تشكيل الحزمة الرقمية متعددة القنوات ، والتي تعتمد عادةً على تحويل فورييه السريع (FFT). بدأ تطوير نظرية مصفوفات الهوائيات الرقمية وتطبيقها العملي في عام 1962 تحت إشراف فلاديمير فاريوخين ( الاتحاد السوفيتي ).

تاريخ

بدأ تاريخ تحليل الهوائيات الرقمية (DAA) في الظهور كنظرية لتحليل متعدد القنوات في عشرينيات القرن العشرين. [ 1 ] وفي أربعينيات القرن العشرين، تطورت هذه النظرية إلى نظرية محللات الهوائيات ثلاثية القنوات. [ 1 ]

أدى تطبيق معالجة الإشارات الفعّالة في أجهزة الرادار بحلول نهاية خمسينيات القرن العشرين إلى ترسيخ استخدام الحواسيب الإلكترونية في هذا المجال. في عام 1957، نشر بن إس. ميلتونت وليسل إف. بيلي مقالًا [ 2 ] حول استخدام العمليات الجبرية لمعالجة الإشارات بمساعدة الدوائر الإلكترونية أو الحاسوب التناظري. [ 1 ]

بعد ثلاث سنوات، وتحديدًا في عام 1960، تبلورت فكرة استخدام الحواسيب فائقة السرعة لحل مسائل تحديد الاتجاه، وكان الهدف الأولي تحديد مركز الزلزال. وكان بي. إيه. بولت من أوائل من طبقوا هذه الفكرة عمليًا. [ 1 ] [ 3 ] وفي الوقت نفسه تقريبًا، استخدم فلين، الباحث في الجامعة الوطنية الأسترالية، نهجًا مشابهًا. [ 4 ]

على الرغم من أن التفاعل بين أجهزة الاستشعار والحواسيب في التجارب المذكورة تم باستخدام بطاقات إدخال البيانات، إلا أن هذا القرار كان خطوة حاسمة في ظهور نظام تحليل البيانات الرقمية (DAA). بعد ذلك، لم يكن مطلوبًا سوى حل مشكلة إدخال البيانات الرقمية مباشرةً من أجهزة الاستشعار إلى الحاسوب، مما ألغى الحاجة إلى إعداد البطاقات المثقبة ومساعدة المشغل. [ 1 ] وقد تحققت هذه الخطوة في نظرية الرادارات بعد عام 1962 في الاتحاد السوفيتي السابق، وذلك من خلال حل مشكلة دقة سوبر رايلي لمصادر الانبعاث. [ 1 ]

تشكيل الحزمة الرقمية

منتج تقسيم الوجه المنقول في نموذج رادار متعدد الأوجه مع DAA، الذي اقترحه V. Slyusar في عام 1996 [ 5 ]

النهج الرئيسي لمعالجة الإشارات الرقمية في DAA هو "تشكيل الحزمة الرقمية" بعد محولات التناظرية إلى الرقمية (ADC) لقنوات الاستقبال أو قبل محولات الرقمية إلى التناظرية (DAC) عن طريق الإرسال.

تتميز تقنية تشكيل الحزمة الرقمية في نظام DAA بمزايا عديدة، إذ يمكن تحويل الإشارات الرقمية ودمجها بالتوازي لإنتاج إشارات خرج مختلفة. ويمكن تقدير الإشارات من جميع الاتجاهات في آنٍ واحد، ودمجها لفترة أطول لزيادة طاقة الإشارة عند رصد الأجسام البعيدة، ودمجها لفترة أقصر لرصد الأجسام القريبة سريعة الحركة. [ 6 ]

قبل عملية تشكيل الحزمة الرقمية، ينبغي تصحيح خصائص القنوات باستخدام مصدر اختبار خاص أو باستخدام إشارة التغاير. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] يمكن استخدام هذا التصحيح ليس فقط لقنوات الاستقبال، بل أيضًا لقنوات الإرسال في مصفوفة الهوائيات الرقمية النشطة. [ 10 ]

ترتبط القيود المفروضة على دقة تقدير اتجاه وصول الإشارات وعمق قمع التداخلات في مصفوفات الهوائيات الرقمية بالارتعاش في محولات الإشارة التناظرية إلى الرقمية ومحولات الإشارة الرقمية إلى التناظرية . [ 11 ] [ 12 ]

أساليب معالجة الإشارات

مُشكِّل الحزمة ذو الاحتمالية القصوى

في مُشكِّل الحزمة ذي الاحتمالية القصوى (DML)، يتم نمذجة الضوضاء على أنها عمليات عشوائية بيضاء غاوسية ثابتة بينما يكون شكل موجة الإشارة حتميًا (ولكنه اعتباطي) وغير معروف.

مُشكِّل شعاع بارتليت

يُعد مُشكِّل الحزمة بارتليت امتدادًا طبيعيًا للتحليل الطيفي التقليدي ( مخطط الطيف ) إلى تحليل الطيف الديناميكي الهوائي. ويتم تمثيل قدرته الطيفية بواسطة

P^بأرتلهـتت(θ)=vحRv  (1){\displaystyle {\hat {P}}_{Bartlett}(\theta )={\boldsymbol {v}}^{H}{\boldsymbol {R}}{\boldsymbol {v}}\ \ (1)}.

الزاوية التي تزيد من هذه القوة هي تقدير لزاوية الوصول.

مُشكِّل الشعاع كابون

تتمتع خوارزمية تشكيل الحزمة كابون، والمعروفة أيضًا باسم خوارزمية تشكيل الحزمة ذات الاستجابة الخالية من التشوه ذات التباين الأدنى (MVDR)، [ 13 ] بقدرة معطاة بواسطة

P^جأصoن(θ)=1vحR-1v  (2){\displaystyle {\hat {P}}_{Capon}(\theta )={\frac {1}{{\boldsymbol {v}}^{H}{\boldsymbol {R}}^{-1}{\boldsymbol {v}}}}\ \ (2)}.

يُمكن لتقنية تشكيل الحزمة MVDR/Capon تحقيق دقة أفضل من الطريقة التقليدية (Bartlett)، إلا أن هذه الخوارزمية أكثر تعقيدًا نظرًا لعملية عكس المصفوفة كاملة الرتبة. وقد بدأت التطورات التقنية في الحوسبة باستخدام وحدات معالجة الرسومات (GPU) في تضييق هذه الفجوة وجعلت تشكيل الحزمة باستخدام Capon في الوقت الفعلي ممكنًا. [ 14 ]

مُشكِّل شعاع الموسيقى

تبدأ خوارزمية تشكيل الحزمة MUSIC ( تصنيف الإشارات المتعددة ) بتحليل مصفوفة التغاير لكل من جزء الإشارة وجزء الضوضاء. ويتم تمثيل تحليل القيم الذاتية لـ بواسطة

R=يوsΛsيوsح+يونΛنيونح  (3){\displaystyle {\boldsymbol {R}}={\boldsymbol {U}}_{s}{\boldsymbol {\Lambda }}_{s}{\boldsymbol {U}}_{s}^{H}+{\boldsymbol {U}}_{n}{\boldsymbol {\Lambda }}_{n}{\boldsymbol {U}}_{n}^{H}\ \ (3)}.

تستخدم خوارزمية MUSIC فضاء الضوضاء الفرعي لمصفوفة التغاير المكاني في مقام خوارزمية كابون

P^ميوSأناج(θ)=1vحيونيونحv  (4){\displaystyle {\hat {P}}_{MUSIC}(\theta )={\frac {1}{{\boldsymbol {v}}^{H}{\boldsymbol {U}}_{n}{\boldsymbol {U}}_{n}^{H}{\boldsymbol {v}}}}\ \ (4)}.

لذلك، يُعرف مُشكِّل الحزمة MUSIC أيضًا باسم مُشكِّل الحزمة في الفضاء الفرعي. وبالمقارنة مع مُشكِّل الحزمة Capon، فإنه يُعطي تقديرًا أفضل بكثير لاتجاه الوصول. ويمكن استخدام خوارزمية ESPRIT كبديل أيضًا.

الذكاء الاصطناعي

يُعد استخدام تقنيات الذكاء الاصطناعي الاتجاه المهم في تطوير معالجة الإشارات الرقمية لأنظمة تحليل الإشارات الرقمية . [ 15 ]

أمثلة على DAA

الرادارات

أنظمة MIMO

يستخدم DAA لتحسين أداء الاتصالات اللاسلكية في أنظمة MIMO [ 10 ] (أنظمة MIMO الضخمة).

أجهزة استشعار الموجات فوق الصوتية وأجهزة السونار

تم تطبيق تقنية DAA في عدد كبير من أجهزة السونار وأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية الطبية . [ 14 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 سليوسار السادس: أصول نظرية مصفوفة الهوائيات الرقمية. // المؤتمر الدولي لنظرية وتقنيات الهوائيات، 24-27 مايو 2017، كييف، أوكرانيا. – الصفحات 199-201
  2. ↑ بن س. ميلتونت وليسل ف. بيلي، مُرتبطات الإشارات المتعددة. // الجيوفيزياء. - يوليو 1957. - المجلد 22، العدد 3. - الصفحات 565-588. - DOI: 10.1190/1.1438390
  3. ↑ بي إيه بولت. مراجعة مراكز الزلازل وأعماقها وأوقات حدوثها باستخدام حاسوب فائق السرعة. // المجلة الجيوفيزيائية. - 1960، المجلد 3، العدد 4. - الصفحات 433-440. - DOI: 10.1111/j.1365-246X.1960.tb01716.x.
  4. ↑ إي. أ. فلين. تحديد موقع الزلزال المحلي باستخدام الحاسوب الإلكتروني. // نشرة الجمعية الأمريكية لعلم الزلازل. - يوليو 1960. - المجلد 50، العدد 3. – الصفحات 467 - 470
  5. ↑ فاديم سليوسار. عمليات المصفوفات الجديدة لمعالجة الإشارات الرقمية (محاضرة). أبريل 1999. - DOI: 10.13140/RG.2.2.31620.76164/1
  6. ↑ الجوانب النظامية للرادار الرقمي المنتشر في كل مكان ، ميريل سكولنيك، 2002،
  7. ↑ سليوسار، السادس تصحيح خصائص قنوات الاستقبال في مصفوفة هوائي رقمي بواسطة مصدر اختبار في المنطقة القريبة // أنظمة الإلكترونيات اللاسلكية والاتصالات. – 2003، المجلد 46؛ الجزء 1، الصفحات 30-35.
  8. ↑ Slyusar, VI طريقة تصحيح خصائص قنوات استقبال DAA باستخدام إشارة التغاير // وقائع المؤتمر الدولي الثالث حول نظرية وتقنيات الهوائيات، 8-11 سبتمبر 1999، سيفاستوبول، الصفحات 244 - 245.
  9. ↑ سليوسار، السادس، تيتوف الرابع تصحيح خصائص قنوات استقبال الهوائيات الذكية لاتصالات الجيل الرابع المتنقلة // وقائع المؤتمر الدولي الرابع حول نظرية وتقنيات الهوائيات، 9-12 سبتمبر 2003. سيفاستوبول، ص 374-375.
  10. 1 2 سليوسار، في آي تيتوف، في آي تصحيح خصائص قنوات الإرسال في مصفوفة هوائيات رقمية نشطة // أنظمة الإلكترونيات اللاسلكية والاتصالات. – 2004، المجلد 47؛ الجزء 8، الصفحات 9 - 13.
  11. ↑ بوندارينكو إم في، سليوسار في آي "الحد من عمق قمع التشويش في مصفوفة هوائيات رقمية في ظروف ارتعاش محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية. // المؤتمر العلمي الدولي الخامس حول التقنيات الدفاعية، OTEH 2012. - 18 - 19 سبتمبر 2012. - بلغراد، صربيا. - الصفحات 495 - 497" (PDF) .
  12. ↑ م. بوندارينكو و ف. إ. سليوسار. "تأثير الارتعاش في محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية على دقة تحديد الاتجاه بواسطة مصفوفات الهوائيات الرقمية. // أنظمة الإلكترونيات اللاسلكية والاتصالات. - المجلد 54، العدد 8، 2011. - الصفحات 436-445. -" (ملف PDF) . doi : 10.3103/S0735272711080061 .
  13. ↑ ج. كابون، "تحليل طيف التردد-العدد الموجي عالي الدقة"، وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، 1969، المجلد 57، الصفحات 1408-1418
  14. 1 2 آسن، جون بيتر؛ بوسكينز، جو إنج؛ نيلسن، كارل-إنج كولومبو؛ أوستنج، أندرياس؛ هولم، سفير (2014). "تطبيق تقنية تشكيل الحزمة كابون على وحدة معالجة الرسومات لتصوير القلب بالموجات فوق الصوتية في الوقت الحقيقي". معاملات IEEE في الموجات فوق الصوتية، والمواد الكهروإجهادية، والتحكم في التردد . 61 (1): 76-85 . doi : 10.1109/TUFFC.2014.6689777 . PMID 24402897. S2CID 251750 .  
  15. ↑ سفيتلانا كوندراتيفا، إيلينا أوفشينيكوفا، بافيل شماشيلين، ناتاليا أنوسوفا. الشبكات العصبية الاصطناعية في مصفوفات الهوائيات الرقمية . // المؤتمر الدولي للهندسة والاتصالات (EnT) لعام 2019. نوفمبر 2019.
  16. ↑ كاثرين أوينز. رادار جديد لمدمرة تابعة للبحرية يجري أول اختبار طيران. مؤرشف بتاريخ 14 سبتمبر 2020 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) بتاريخ 10 أبريل 2017.

 تتضمن هذه المقالة نصًا بقلم فاديم سليوسار، متاحًا بموجب ترخيص CC BY-SA 3.0 . وقد استلم فريق الاستجابة التطوعي في ويكيميديا ​​النص وإصداره .

للمزيد من القراءة

  • تقدير وتتبع التردد ، كوين وهانان، مطبعة جامعة كامبريدج 2001.