مقدمة عن مبدأ رادار الموجة المستمرة المعدلة التردد (FMCW)

يُصنف الرادار النبضي ورادار الموجة المستمرة المعدلة التردد (FMCW) إلى نوعين رئيسيين. فيما يلي تحليل فني لمبدأ عمل رادار الموجة المستمرة المعدلة التردد (FMCW). 1. تصنيف الرادار: يُقسم الرادار إلى رادار نبضي ورادار موجة مستمرة وفقًا لنوع الإشارة المرسلة. يُرسل الرادار النبضي التقليدي نبضات دورية عالية التردد، بينما يُرسل رادار الموجة المستمرة إشارات موجة مستمرة. يمكن وصف مبدأ عمل رادار دوبلر النبضي كما يلي: عندما يُرسل الرادار موجة نبضية بتردد ثابت لمسح الهواء، إذا صادف هدفًا متحركًا، يظهر فرق في التردد بين تردد الصدى وتردد الموجة المرسلة، يُسمى تردد دوبلر. بناءً على قيمة تردد دوبلر، يُمكن قياس سرعة الحركة الشعاعية النسبية للهدف بالنسبة للرادار؛ وبناءً على الفرق الزمني بين النبضة المرسلة والمستقبلة، يُمكن قياس بُعد الهدف. في الوقت نفسه، يتم الكشف عن خط طيف تردد دوبلر للهدف باستخدام طريقة ترشيح التردد، ويتم ترشيح خط طيف التشويش المتداخل، مما يمكّن الرادار من تمييز إشارة الهدف عن التشويش القوي. لذلك، يتمتع رادار دوبلر النبضي بقدرة أكبر على مقاومة التشويش مقارنةً بالرادار العادي، ويمكنه الكشف عن الأهداف المتحركة المختبئة في الخلفية. يمكن أن تكون الإشارة المرسلة بواسطة رادار الموجة المستمرة أحادية التردد (CW) أو موجة مستمرة معدلة التردد (FMCW). يُستخدم رادار الموجة المستمرة أحادية التردد لقياس السرعة فقط، ولا يمكنه قياس المسافة، بينما يمكن لرادار FMCW قياس كل من المسافة والسرعة، وتزداد مزاياه في القياسات قصيرة المدى وضوحًا. 2. رادار الموجة المستمرة المعدلة التردد: يمكن أن تكون الإشارة المرسلة أحادية التردد (CW) أو موجة مستمرة معدلة التردد (FMCW)، وهناك العديد من طرق تعديل التردد، مثل الموجة المثلثية، والموجة المنشارية، وتعديل الشفرة، أو تعديل تردد الضوضاء. من بينها، يُستخدم رادار الموجة المستمرة أحادي التردد لقياس السرعة فقط، ولا يمكنه قياس المسافة، بينما يقيس رادار الموجة المستمرة متعددة التردد (FMCW) كلاً من المسافة والسرعة، وتزداد مزاياه في القياسات قصيرة المدى وضوحًا. 3. مبدأ العمل: يُرسل رادار FMCW موجة مستمرة يتغير ترددها خلال فترة مسح التردد. يكون للصدى المنعكس من الجسم فرق تردد معين عن الإشارة المرسلة. يمكن الحصول على معلومات المسافة بين الهدف والرادار بقياس فرق التردد. يكون تردد الإشارة منخفضًا نسبيًا، عادةً بالكيلوهرتز، مما يجعل معالجة الأجهزة بسيطة نسبيًا، ومناسبة لجمع البيانات ومعالجة الإشارات الرقمية. 4. مزايا وعيوب رادار FMCW: عند الإرسال والاستقبال في آنٍ واحد، لا توجد في رادار FMCW، نظريًا، منطقة عمياء في تحديد المدى كما هو الحال في رادار النبض، ويتساوى متوسط ​​قدرة الإشارة المرسلة مع ذروة القدرة، لذا لا يلزم سوى أجهزة منخفضة الطاقة، مما يقلل من احتمالية الاعتراض والتشويش. يتميز رادار FMCW بسهولة التنفيذ، وبساطة التركيب، وصغر الحجم، وخفة الوزن، وانخفاض التكلفة، مما يجعله واسع الانتشار في المجالات المدنية والعسكرية. أما عيوبه فتتمثل في قصر مداه، وصعوبة التحكم في اقتران دوبلر للمسافة، وعزل جهاز الإرسال والاستقبال. 5. مخطط كتلة رادار FMCW: إذا كان رادار الموجة المستمرة FM يتكون من جهاز إرسال واستقبال ووحدة تحكم مزودة بمعالج دقيق، وكان جهاز الإرسال والاستقبال يستخدم هوائيًا واحدًا للإرسال والاستقبال المتزامنين، فإن رادار FMCW يحتاج إلى مُوزِّع فيريت لفصل إشارات الإرسال والاستقبال، مما يتطلب عزلًا أعلى. بالطبع، في حال استخدام هوائي رقعي مع أجهزة إرسال واستقبال منفصلة، ​​ستكون التكلفة أقل نسبيًا. يتم توليد إشارة التردد العالي بواسطة مذبذب مُتحكم فيه بالجهد (VCO)، حيث يتم تضخيم جزء منها بواسطة مُقسِّم طاقة وتغذيته إلى هوائي الإرسال، بينما يتم توصيل الجزء الآخر بالخلاط، ومزجه مع صدى الاستقبال، ثم ترشيحه بترددات منخفضة للحصول على نطاق التردد الأساسي. تُرسل إشارة فرق التردد إلى المعالج الدقيق للمعالجة بعد تحويلها من تناظري إلى رقمي. 6. مبدأ قياس المسافة/السرعة باستخدام رادار FMCW: يُشرح مبدأ قياس المسافة/السرعة باستخدام الرادار بإيجاز من خلال مثال الموجة المثلثية المُعدّلة التردد. كما هو موضح في الشكل أدناه، يُمثل اللون الأحمر تردد الإشارة المُرسلة، والأخضر تردد الإشارة المُستقبلة، وفترة مسح التردد هي T، وعرض نطاق مسح التردد هو B. تُرسل الإشارة عبر الهدف، وتكون إشارة الصدى متأخرة. في تغير تردد الموجة المثلثية، تُجرى قياسات المسافة على الحافتين الصاعدة والهابطة. في حال عدم وجود تردد دوبلر، يكون فرق التردد أثناء الحافة الصاعدة مساويًا للقياس أثناء الحافة الهابطة. بالنسبة للهدف المتحرك، يختلف فرق التردد بين الحافتين الصاعدة والهابطة، ويمكننا قياس المسافة والسرعة من خلال هذين الفرقين في التردد. تُرسل إشارة الخفقان إلى معالج الإشارات الرقمية بعد ترشيحها بترددات منخفضة وتضخيمها لإتمام عملية تحويل فورييه السريع (FFT) وكشف إشارة الخفقان، ثم تُحسب بيانات الهدف وتُرسل إلى شاشة العرض والتحكم. يستخدم رادار الموجة المستمرة المعدلة التردد بموجة مثلثية منحدرات معدلة التردد موجبة وسالبة لإزالة التداخل بين المسافة والسرعة، ومن ثم تقدير سرعة الهدف.