בכל מקלט של רדאר, אותות ההד המתקבלים מכילים את ההחזר מהמטרה ואת בליל הרקע (Backgroung Clutter). זיהוי המטרה בסביבה שבה רעשי רקע מצריך רזולוציות high-range
ו-cross-range גבוהות במערכת הרדאר. הדרך המסורתית להשגת יעד זה כרוכה בשימוש בצורות גל מבוססות פולסים קצרים וכן בפולסי wideband-FM. עם זאת, גישה זו מצריכה ארכיטקטורת מערכת מורכבת ומובילה לעלות הטמעה גבוהה יותר, בגין רוחב-פס המקלט הנדרש בה. דרך נוספת המאפשרת להשיג רזולוציית high range – מבלי להגביר את מורכבות המערכת – היא באמצעות שימוש ב-Stepped Frequency Radar
(), סכמה שמוכרת היטב בזכות השימוש שנעשה בה בבדיקות אל-הרס וכן ביישומי ground searching.
במקרה של מערכת ה-SFR, ההדים של פולסי ה-stepped frequency עוברים סינתיזה במישור התדר לצורך השגת רוחב-פס גדול יותר עבור האות. באמצעות דילוג התדר (frequency hopping), ניתן להשיג הן רזולוציה גבוהה והן יחס גבוה של אות ל-clutter (רעש רקע). לאור הרזולוציה הגבוהה המאפיינת את השיטה ועלותה הנמוכה, היא נמצאת בשימוש רחב הן במסגרת יישומים מסחריים והן בענף התעופה/הביטחון (A/D). עם זאת, קשה מאוד לנסח פתרון אנליטי עבור חקר ביצועים של מקלט ה-SFR כאשר מתקיימים רעשי רקע שנגרמים בגין החזרות מן הקרקע, מבנים, צמחייה ועוד. כתוצאה מכך, חשיבות ההדמיה גוברת עוד יותר. שימוש מדויק בהדמיה לצורך פיתוח, אימות ובדיקה של מערכות ה-SFR בסביבות העולם האמיתי הפך לחיוני ביותר.
הבנת ה-SFR
כדי להבין טוב יותר את היתרון הגלום ב-SFR, הבה נבחן תחילה את צורת הגל מבוססת הפולסים של הרדאר, המופיעה באיור 1 (התמונה השמאלית).
בהנחה כי רוחב הפולס הוא וכי רוחב הפס של האות הוא , ניתן לחשב את רזולוציית הטווח, Rs, כך:
(1)
כאשר c היא מהירות האור.
לדוגמה, ובהנחה כי רוחב הפולס וה- (Pulse Repetition Interval) של הפולסים T = 10 µs, רזולוציית הטווח תהיה 37.5m. עבור רזולוציה הפחותה מ-1 מטר, יש לקצר את משך הפולס מתוך (1), דהיינו, T = 3.9 ns.
רזולוציית הטווח המתקבלת תהיה אפוא 0.58m ובמקום לטפל ברוחב פס של 4MHz, רוחב הפס החדש של המערכת יהיה
ns/3.9 ns = 64, כלומר פי 64 – רחב יותר מאשר רוחב הפס המקורי של המערכת.
כדי להשיג רזולוציה גבוהה של 0.58m מבלי לקצר את משך הפולס, ניתן להשתמש במערכת SFR. כמתואר באיור 1, מערכת ה-SFR משדרת רצפים של N פולסים
ב- (Pulse Repetition – Frequency) קבוע, אולם לא בתדר רדאר קבוע. בניגוד לאות הפולסים, כל פולס ברצף של צורת הגל של stepped frequency מתאפיינת ברוחב פולס ובמשך זמן זהים, אולם בתדר גל נושא שונה. תדר זה מנוסח
כ-, כאשר הוא מידת הגדלת התדר, המעידה על שימוש בדילוג תדר ובחלוקת זמן.
בהנחה כי נעשה שימוש ב-N-step stepped frequency, רוחב הפולס וה-PRI של הפולס הם עדיין 0.25=ו-T=10 µs, כאשר N=64, כמו בדוגמה הקודמת, ואילו 4MHz=, רוחב הפס של רזולוציית הטווח המתקבלת הנו כפי שעולה בבירור מתוצאה זו, ל-SFR רזולוציית טווח גבוהה (פחות ממטר אחד). מעבר לכך, תוצאה זו הושגה מבלי שנדרש קיצור הרזולוציה, כך שהפתרון מומלץ עבור pulse radar בתרחיש זה.
פלטפורמה לתכנון ובדיקה של SFR
במקרה של מערכות רדאר מסוג SFR, רעש הרקע מפריע לזיהוי המטרה, מקשה על מציאת מספר המטרות בפועל ואף גורם לכשל בזיהוי מטרות קטנות. מציאת פתרון אנליטי דומה בצורתו, אשר מאפשר אנליזה של זיהוי המטרות גם נוכח רעש הרקע הקיים, מהווה משימה מורכבת. לאור החשיבות שנודעת לניתוח סוגי התרחישים, ההדמיה הופכת לבעלת חשיבות קריטית, ממש כמו השימוש בפתרון מבוסס פלטפורמה לצורך ביצוע ההדמיה של מערכות SFR בתנאים של סביבות העולם האמיתי. הפלטפורמה יכולה לשמש גם לאימות ובדיקה של מערכות SFR. פלטפורמת ההדמיה, על סביבת הבדיקה, צריכה לכלול חתך מכ”ם (RCS) של אות ההחזרה וכן רעש רקע.
על מנת להבין טוב יותר את האופן שבו ניתן להשתמש בפלטפורמה זו לצורך תכנון, אימות ובדיקה של מערכת SFR, להלן תבנית של תכנון SFR. על-ידי התאמה אישית של תכנון ה-SFR למערכות הספציפיות, המהנדסים יכולים להריץ הדמיות בתוך הפלטפורמה לצורך הערכת ביצועי התכנון. כאשר הדמיית התכנון משולבת עם ציוד בדיקה, פלטפורמת ההדמיה יכולה לשמש גם כפלטפורמת בדיקה עבור חומרת הרכיבים של מערכת ה-SFR. כדוגמה, מוצגת מערכת SFR עם שתי החזרות של מטרות ו-ground clutter, כאשר במקרה זה הפלטפורמה משמשת הן להדמיה והן לבדיקת חומרה.
הדמיית מערכת SFR
הבה נבחן את תכנון ה-SFR הבסיסי שמוצג באיור 2. במחולל האותות מצוי מקור SFR, שלאחריו מודולטור RF ולאחר מכן שני מודלים של מטרות ומודל clutter. בכניסת המקלט של ה-SFR, האותות המתקבלים כוללים החזרות מהמטרה ו-clutter.
האות המתקבל נמדד בכניסת ה-SFR ומוצג באיור 3. יש לשים לב, כי הגרף המתאר תדר לעומת זמן, באיור 3C עולה בקנה אחד עם הציפיות מאותות ה-SFR, על סמך חישוב תדר גל הנושא שתואר לעיל. גם הפאזה שעטיפתה הוסרה לאחר התרה (unwrapped phase), הינה צפויה. בנוסף, מקלט ה-SFR פועל כיאות בהדמיה.
איור 4 מבהיר, כי השימוש בתכנון SFR ברזולוציה גבוהה מאפשר לזהות בקלות שתי מטרות הסמוכות זו לזו. כדי לזהות את שתי המטרות באמצעות רדאר פולסים, הייתה נדרשת הגדלה של רוחב הפולס פי 8 לפחות – תוך הגדלה ניכרת של עלויות המערכת.
בדיקת מערכת SFR
לאחר בנייתו של מודל הדמיה שמשכפל את מערכת ה-SFR האמיתית, ניתן להשתמש בו לצורך בדיקה בתנאים של סביבת העולם האמיתי, לרבות RCS ורעש רקע. בנוסף, פלטפורמת ההדמיה ששימשה לתכנון מערכת ה-SFR בעלת רזולוציה גבוהה יכולה לשמש כעת לבדיקת חומרה במקלט. ביצוע הבדיקה מצריך מחולל אותות SFR. האות המתקבל כולל החזרות מן המטרה, לרבות גורמים סביבתיים כגון ground clutter ורעש.
תחילה, מיוצר אות בדיקה כאשר שתי המטרות סמוכות זו לזו וכן מיוצר clutter באמצעות התכנון שבאיור 2. לאחר מכן, מתבצעת הורדה של האות למחולל אותות וקטוריים לצורך המרה לתדרי RF. בהמשך, נתח אותות מבצע מדידה של הקלט המתקבל במקלט של מערכת ה-SFR ובשילוב עם תוכנת ניתוח אותות משתמש בנתונים שנמדדו לצורך אימות אות הבדיקה.
עבור בדיקת משדר ה-SFR נדרש מקלט SFR. ניתן ליצור את המקלט באמצעות פלטפורמת ההדמיה. האות נמדד באמצעות נתח אותות וקטוריים, אשר מריץ את תוכנת הניתוח של האותות הוקטוריים. האות המתקבל מורד מנתח האותות לתוכנת ה-EDA, לצורך דה-מודולציה, כמו גם לצורך זיהוי ואחזור של אותות המטרה המקוריים. מקלט ה-SFR שנוצר באמצעות התוכנה יכול לשמש לבדיקת אותות SFR אמיתיים שמתקבלים, באמצעות התקנת הבדיקה שבאיור 5.
סיכום
פתרון פלטפורמה של הדמיית מערכות בתנאי העולם האמיתי הוא הכלי האידיאלי עבור מהנדסים שמתכננים, מאמתים ובודקים את מערכות הרדאר הנוכחיות. הוא שימושי במיוחד במקרה של מערכות Stepped Frequency Radar גבוהות רזולוציה: השימוש בפתרון סגור (closed-form solution) עבור מערכות אלה עלול להתאפיין בקשיי ניתוח של זיהוי המטרות, כאשר קיימים רעשי רקע. פלטפורמת ההדמיה מתאימה מאוד לתכנון ולבדיקה של מערכות SFR. במקרה האחרון, ניתן להשתמש במקלט מבוסס תוכנת הדמיה לצורך בדיקת רכיבי המשדר, בעוד שמשדר מבוסס תוכנת הדמיה יכול לשמש לבדיקת רכיבי המקלט.
מאת: דינגקינג לו, .Agilent Technologies Inc
