هندسة الرادار

توفر المصفوفة الممسوحة إلكترونيًا (ESA)، أو المصفوفة الطورية ، مزايا عديدة مقارنةً بالهوائيات الممسوحة ميكانيكيًا، مثل المسح الشعاعي الفوري، وإمكانية استخدام حزم شعاعية متعددة متزامنة وسريعة الاستجابة، وتشغيل أنماط الرادار في آنٍ واحد. وتشمل معايير أداء المصفوفة الممسوحة إلكترونيًا عرض النطاق الترددي ، والقدرة المشعة المتناحية الفعالة (EIRP)، ونسبة GR _/ T، أي مجال الرؤية. وتُحسب القدرة المشعة المتناحية الفعالة (EIRP) بضرب كسب الإرسال (G_{_T}) في قدرة الإرسال (PT ₎ . أما نسبة GR _/ T فهي حاصل قسمة كسب الاستقبال على درجة حرارة ضوضاء الهوائي. ويُعدّ ارتفاع قيمتي EIRP وGR _/ T شرطًا أساسيًا للكشف بعيد المدى. وتشمل خيارات التصميم ما يلي:

• الهوائيات النشطة مقابل الهوائيات السلبية : في مصفوفة المسح الإلكتروني النشطة (AESA)، يتم توصيل كل هوائي بوحدة إرسال/استقبال مزودة بمضخم طاقة الحالة الصلبة (SSPA). تتميز مصفوفة AESA بتوزيع تضخيم الطاقة، وتوفر أداءً عاليًا وموثوقيةً فائقة، ولكنها مكلفة. أما في مصفوفة المسح الإلكتروني السلبية (PESA )، فتُوصل المصفوفة بوحدة إرسال/استقبال واحدة مزودة بأجهزة إلكترونية فراغية (VED). تتميز مصفوفة PESA بتضخيم طاقة مركزي، مما يوفر في التكاليف، ولكنها تتطلب مُغيرات طور منخفضة الفقد.
• الفتحة : تكون فتحة هوائي مستشعر الرادار حقيقية أو اصطناعية. تسمح مستشعرات الرادار ذات الحزمة الحقيقية باستشعار الأهداف في الوقت الفعلي. أما رادار الفتحة الاصطناعية (SAR) فيتيح دقة زاوية تتجاوز عرض الحزمة الحقيقية عن طريق تحريك الفتحة فوق الهدف، وجمع الصدى بشكل متماسك.
• البنية : يتم مسح مجال الرؤية باستخدام حزم ضوئية عالية التوجيه متعامدة التردد (موجهة مشقوقة)، أو متعامدة مكانيًا (شبكات تشكيل الحزم المبدلة)، أو متعامدة زمنيًا. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} في حالة المسح المتعامد زمنيًا، يُفضل مسح حزمة جهاز التحليل الطيفي الإلكتروني (ESA) بتطبيق تأخير زمني تدريجي.${\displaystyle \Delta \tau }$يتم الحفاظ على ثبات التردد، بدلاً من تطبيق إزاحة طور تدريجية. استخدام مُزحزحات الطور ذات التأخير الزمني الحقيقي (TTD) يمنع انحراف الشعاع مع التردد. زاوية المسح،${\displaystyle \theta }$، ويتم التعبير عنها كدالة لتقدم إزاحة الطور،${\displaystyle \beta }$، وهو دالة للتردد والتأخير الزمني التدريجي،${\displaystyle \Delta \tau }$، وهو ثابت مع التردد:

${\displaystyle k\,d\,\cos {\theta }=\beta \left(f\right)=2\,\pi \,{\frac {c}{\lambda _{0}}}\,\Delta \tau }$

${\displaystyle \theta =\arccos {\left({\frac {c}{d}}\,\Delta \tau \right)}}$

لاحظ أن${\displaystyle \theta }$لا يعتمد على التردد. كما أن لثبات فرق الطور مع التردد تطبيقات مهمة، وإن كانت في توليف الأنماط واسعة النطاق. على سبيل المثال، توليد نبضة أحادية واسعة النطاق.${\displaystyle \Sigma /\Delta }$تعتمد أنماط الاستقبال على شبكة تغذية تجمع بين مصفوفتين فرعيتين باستخدام موصل هجين واسع النطاق .

• تشكيل الحزمة : يتم تشكيل الحزمة في المجال الرقمي (تشكيل الحزمة الرقمي (DBF))، أو التردد المتوسط ​​(IF)، أو البصري، أو التردد الراديوي (RF).
• البنية : تتكون المصفوفة الممسوحة إلكترونيًا من ثلاثة أنواع من البنى: الطوب، والعصي، والبلاطات، والصواني. يشير مصطلح "الطوب والصواني" إلى طريقة بناء يتم فيها دمج دوائر الترددات الراديوية بشكل عمودي على مستوى المصفوفة. أما "البلاطات"، فتشير إلى طريقة بناء يتم فيها دمج دوائر الترددات الراديوية على ركائز موازية لمستوى المصفوفة. بينما يشير مصطلح "العصي" إلى طريقة بناء يتم فيها توصيل دوائر الترددات الراديوية بمصفوفة خطية في مستوى المصفوفة.
• شبكة التغذية : شبكة التغذية مقيدة (شركات، سلاسل) أو يتم تغذيتها من الفضاء.
• الشبكة : الشبكة دورية (مستطيلة، مثلثية) أو غير دورية (رقيقة).
• الاستقطاب (الهوائي) : يكون استقطاب أجهزة استشعار الرادار الأرضية عموديًا، وذلك للحد من تأثير تعدد المسارات ( زاوية بروستر ). كما يمكن أن تكون أجهزة استشعار الرادار مستقطبة لتطبيقات جميع الأحوال الجوية.

يتم الكشف عن مدى وسرعة الهدف من خلال تحديد المدى باستخدام تأخير النبضة وتأثير دوبلر ( رادار دوبلر النبضي )، أو من خلال تحديد المدى باستخدام تعديل التردد (FM) وتمييز المدى. وتُحدَّد دقة تحديد المدى بعرض نطاق الإشارة اللحظي لمستشعر الرادار في كلٍّ من رادارات دوبلر النبضي ورادارات الموجة المستمرة المعدلة التردد ( FMCW ). وتوفر مستشعرات رادار دوبلر أحادي النبضة أحادية الاستاتيكية مزايا على رادارات FMCW، منها:

• نصف مزدوج : تعمل مستشعرات رادار دوبلر النبضي بنظام نصف مزدوج، بينما تعمل مستشعرات رادار FMCW بنظام مزدوج كامل. ولذلك، يوفر رادار دوبلر النبضي عزلاً أفضل بين المرسل والمستقبل، مما يزيد من النطاق الديناميكي للمستقبل ودقة الكشف بشكل ملحوظ. إضافةً إلى ذلك، يمكن استخدام هوائي أو مصفوفة هوائيات بالتناوب بين المرسل والمستقبل في وحدة الإرسال/الاستقبال، بينما تتطلب رادارات FMCW هوائيين أو مصفوفتين، أحدهما للإرسال والآخر للاستقبال. من عيوب التشغيل بنظام نصف مزدوج وجود منطقة عمياء في محيط مستشعر الرادار المباشر. لذا، تُعد مستشعرات رادار دوبلر النبضي أكثر ملاءمةً للكشف بعيد المدى، بينما تُعد مستشعرات رادار FMCW أكثر ملاءمةً للكشف قصير المدى.
• النبضة الأحادية : تعمل شبكة التغذية أحادية النبضة ، كما هو موضح في الشكل 2، على زيادة الدقة الزاوية إلى جزء من عرض الحزمة عن طريق مقارنة الصدى، الذي ينشأ من نبضة مشعة واحدة ويتم استقباله في حزمتين أو أكثر متزامنتين ومتعامدتين مكانيًا.
• ضغط النبضة : يعمل ضغط النبضة على فصل عرض النبضة عن عرض نطاق الإشارة اللحظي، وهما مرتبطان عكسيًا في الأحوال العادية. يرتبط عرض النبضة بزمن بقاء الإشارة على الهدف، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء، والمدى الأقصى. بينما يرتبط عرض نطاق الإشارة اللحظي بدقة تحديد المدى.
• معالجة نبضات دوبلر : تُحوّل أصداء النبضات المنبعثة من انفجار إشعاعي إلى المجال الطيفي باستخدام تحويل فورييه المنفصل (DFT). في المجال الطيفي، يمكن إزالة التشويش الثابت نظرًا لاختلاف إزاحة تردد دوبلر الخاصة به عن إزاحة تردد دوبلر للهدف المتحرك. ويمكن تقدير مدى وسرعة الهدف مع زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بفضل التكامل المتماسك للأصداء. ^{[ 7 ]}

تتميز الرادارات ثنائية الاستقرار بوجود جهاز إرسال وجهاز استقبال منفصلين مكانيًا. في هذه الحالة، تُرسل المستشعرات الموجودة في هوائي الإرسال إشارة إلى النظام تُحدد الموضع الزاوي لشعاع المسح، بينما توجد مستشعرات الطاقة في الهوائي الآخر. يُعد تزامن التوقيت أمرًا بالغ الأهمية لتفسير البيانات، نظرًا لثبات هوائي الاستقبال.

تتميز الرادارات أحادية الموقع بوجود جهاز إرسال وجهاز استقبال متجاورين مكانيًا. في هذه الحالة، يجب عزل الإشارة المنبعثة عن أجهزة الاستقبال لأن الطاقة المنبعثة أكبر بكثير من الطاقة المرتدة.