הדמיה ובדיקת שיטות עיבוד אות במכ”ם FSCR

מערכות מכ”ם מודרניות נמצאות בשימוש צבאי, אזרחי, מדעי ומסחרי, בעיקר לצורך השגת מידע כגון מרחק, מיקום, מהירות וכיוון של עצמים במרחב. אחת הדרכים לשיפור רזולוציית הטווח היא שימוש במכ”ם FSCR – Frequency-Stepped Chirped Radar והמייחד אותו הוא השימוש ברוחב סרט מיידי מוגבל.

במכ”ם FSCR מגדילים את תדר השידור הראשוני fo באופן לינארי, בקפיצות
(chirp) בגודל . על ידי עיבוד האות המשודר וההד החוזר ניתן לקבוע את הזמן שנדרש לאות לנוע אל המטרה ובחזרה וכך לחשב את הטווח. זמן זה נמצא ביחס לרוחב הסרט:

כאשר c היא מהירות האור, התדר הראשוני – fo, הקפיצה בתדר – ,
N הוא מספר הפולסים בפרץ שידור. כיון שרוחב הפס יחסי ל-N אפשר לכתוב את המשוואה כך:

מכאן ששינוי -N מאפשר שיפור אבחנת הטווח. לכך יש משמעות רבה, כיון שניתן להשיג רזולוציית טווח משופרת בעזרת מערכת מכ”ם FSCR שהיא זולה ופשוטה יותר. זאת מכיוון שמכ”ם FSCR יכול לעבוד בתדר רציף נמוך יותר ובקצב דגימה נמוך יותר, כלומר שסיבוכיות המערכת ומחירה יופחתו אך יחד עם זאת היא תספק רזולוציית טווח משופרת.

כלי תכן למערכות
מכ”ם FSCR
שימוש בכלי תכן מתאימים יניב תכנון ברמת ניבוי גבוהה, שיאפשר אישוש חומרה לפני הוצאות מיותרות ותכנון מחדש של רכיבי מיקרו-גל מן המדף.
אחת הבעיות שיש להתמודד איתן בעת תכנון מערכות מכ”ם היא אבחנה בין הסטות דופלר שמקורן בגופי רקע לבין אותות המתקבלים ממטרות אמתיות. טיפול שגוי בבעיה זו יגרום להופעות התרעות שווא. אחת הדרכים להתמודדות עם הבעיה היא שימוש במספר חיישנים וביצוע טריאנגולציה בין האותות הנקלטים בהם.
מודל טוב של מערכת מכ”ם יתמוך גם בפיתוח מערכת תקשורת. במערכות Visual System Simulator () של AWR כלולים כלים כגון גלאי ל-Constant False Alarm Rate (), מחווני MTD ו-Probability of Detection ().
על מנת לבנות מודל מייצג יש לאפיין את האות בעל התדר המשתנה (chirp) וכן את מאפייני המקלט. איסוף ההדים, סינון בעזרת מסננים מתואמים וטכניקות חישוב הסתברותיות יאפשרו לשחזר את המטרה תוך שמירה על דיוק המימדים.
לצורך טיפול במידע הכלול באותות המכ”ם במישור הזמן והתדר יש צורך בנתח אות וקטורי רחב סרט כדוגמת NI-5668R 26.5 GHz VSA.
למכשיר זה רוחב סרט רציף של 756 מגהרץ, וכולל DSP לסימלוץ אלגוריתמי גילוי.
כלי התכן והחמרה של ימינו משפרים באופן דרמטי את יעילות התכנון, את הביצועים ומאפשרים הורדת עלויות של מערכות מכ”ם מודרניות, ומאפשרים את היכולות הבאות:
*ביצוע אנליזה יעילה של אילוצי המערכת המשפיעים על תהליכי עיבוד וחישוב, על התחום דינמי, על יחס אות לרעש ועל קצב הסריקה.
בנית מודל של מכ”ם דפקי דופלר , העושה שימוש בתוצאות ניסויים וקבצי נתונים של תת מכלולים.
מידול תת מכלולים במערכת על ידי שילוב תוצאות ניסיוניות
ניתוח נתוני רמת המידול של המערכת וייטוב התכנון על מנת לענות על הדרישות.
פיתוח אב טיפוס תוך התבססות על מוצרים מסחריים קיימים.
הרחבת מערכת החומרה על ידי הוספת מקלטים לצורך סימולציה של חיישנים מרובים.

מודל מבוסס VSS של AWR למשדר מכ”ם וקצה קדמי של מקלט
איור 3 מציג את דיאגרמת המלבנים של המקלט. המודול The NI-5668R VSA מכיל רכיב מיתכנת מסוג Kintex-7. הרכיב מקושר ישירות לתוכנית המארחת, והוא מעבד ומבקר את זרימת הנתונים אל המחשב המארח, ובנוסף מבצע חישובי DSP מורכבים. רוחב הפס שלו מאפשר לו ללכוד אותות עד ל-26.5 ג’יגהרץ. לכידת מלוא רוחב הפס בעת הרכשת נתונים יחידה מונע עיוות ספקטרלי.
ארכיטקטורת NI-5668 VSA
עיבוד אות במערכת מכ”ם
שלבי עיבוד האות במהלך הגילוי מוצגים באיור 4. את האלגוריתמים המשמשים לזיהוי מטרות ועיבוד דופלר אפשר להטמיע ב-FPGA. הטמעת FSCR דורשת סינכרון מדויק של צעדי התדר, בצד גילוי קוהרנטי. במקלטים מודרניים מבוססי DSP שילוב של רוחב פס גדול ו-DDC קוהרנטיים מאפשר לתכנן מערכות FSCR רחבות סרט תוך שמירה על התחום הדינמי.

סימולציית עיבוד והטמעת אות baseband על ידי VSS בשילוב NI-5668R
chirp מדורג יכול להתקבל מ-chirp רציף על ידי בקרת שער בעזרת דפקים (איור 5). באופן מעשי ניתן לשנות את הדפקים בעזרת פונקציית חלון ולאו דווקא על ידי שימוש בדפקים מלבניים. בדוגמא שלפנינו משתמשים בחלון “Kaiser”, והנתונים מראים שמתקבל ניצול ספקטרלי יעיל יותר בדרך זו.
כאשר עובדים עם צורות גל מורכבות קל יותר לממש את המערכת בעזרת מחולל גל אקראי – AWG, ואז הדפקים משמשים למיתוג מחולל המחי IQ של ה-AWG. דוגמא של תכנות מערכת מופיעה באיור 6. נעשה כאן שימוש ב-LabVIEW Mathscript מכיון שהסינטקס שלו מוכר למתכנתי DSP. מקדמי המבוא “wn” ו-“Ns” תואמים לחלון מקדם ההחלקה ולמספר מדרגות התדר.

קוד Mathscript המשמש לאישוש תיאורטי של FSCR ולתכנות AWG
השוואה בין הספקרום שמניב המודל של ה-FSCR לספקטרום הנמדד מראה בשניהם ניחות של כ-15dB בין קבוצות תדרים (frequency bins). דחיית תדרים מחוץ לפס, בהשוואה לשיא היא לפחות 40dB ויותר מ-66dB ביחס להספק הכללי בערוץ ברמת 26dBm. ההספק הכולל בכל קבוצות התדרים שווה לסכום ההספקים של כל הדפקים, ובכל דופק תרוכז
מהאנרגיה. עיבוד האות בעזרת חלון Kaiser מאפשרת שיפור של 20dB בערוץ הסמוך.
מערכות מכ”ם מודרניות הנן מאוד מורכבות וזאת בגלל אלגוריתמי עיבוד אות מסובכים המיועדים למנוע גילויי שווא, וזאת בשל ריבוי מספרם של החיישנים והטיפול במטרות מרובות. יחד עם זאת יש לתכנן את המערכת ליעילות ספקטרלית מרבית ותחום דינמי גדול. מערכות FSCR הינן עתירות חישובים לעיבוד אות, והדבר מחייב לתכנן מודל של החומרה והאלגוריתמים הספרתיים על מנת להשיג זאת. את יחידת הקצה הקדמי של מקלט המכ”ם אפשר להחליף במכשור המסוגל לאשש את סכימת הגילוי. על ידי שילוב VSS יחד עם פלטפורמת PXI ו-VSA ניתן ליצור מערכת מכ”ם מתקדמת.

Reference:
1) K. Pourvoyeur, R. Feger, S. Schuster, A. Stelzer, L. Maurer, Ramp Sequence Analysis to Resolve Multi-target Scenarios for a 77-GHz FMCW Radar Sensor
2) Alexiev, K and Bojilov, L, A Hough Transform Track Initiation Algorithm for Multiple Passive Sensors, Bulgarian Science Fund, Grant No. I-801/98
3) https://awrcorp.com/download/faq/english/examples/Pulse_Doppler_Radar_System.aspx