ترجمه مقاله کاربرد رادارهای MIMO

در بسیاری از سیستم‌ها، این سخت افزار افزوده شده از لحاظ هزینه، اندازه، وزن و توان، غیر عملی است. در مورد رادار دو کاناله موجود، افزودن این سخت افزار اضافی، عملی نبوده و همچنان الزامات مربوط به هزینه سیستم و SWAP وجود دارد. در واقع، احتمالاً افزودن سخت افزار انتقال اضافی در مقایسه با افزودن وسایل الکترونیکی اضافی، جهت پشتیبانی از کانال‌های گیرنده فیزیکی‌تر است! همانطور که در شکل (4-11) نشان داده شده است، از آنجائی‌که رادارهای هوایی مستلزم پوشش 360 درجه هستند، رادار موجود از آنتن گردان مکانیکی با اتصال چرخان استفاده می‌کند که به خصوص با هدف انتقال سیگنال‌های فرستنده RF با قدرت بالا به آنتن گردان طراحی شده است. در این صورت، حتی اگر بتوان به مولد الکترونیکی رادار دو مولد شکل موج و تقویت کننده توان اضافه نمود، ممکن است نیاز به طراحی مجدد اتصال چرخان برای عبور دو سیگنال RF از آنتن وجود داشته باشد.

سفارش ترجمه تخصصی رشته مهندسی برق

در ادامه شرح می‌دهیم که با فاصله گرفتن از معماری‌های نظری MIMO که بیشتر از لحاظ پردازش سیگنال توسعه یافته‌اند، اغلب بدون تأثیر قابل توجه بر هزینه سیستم و SWAP می‌توان از مزیت MIMO استفاده نمود. در واقع، برخی از محققان با بیان این استدلال که پیاده سازی MIMO در مقایسه با سیستم‌های شکل موج منفرد، مقرون به صرفه‌تر است، تحلیل‌های قانع کننده‌ای را ارائه داده‌اند [8]. این امر به خصوص در مورد سیستم‌های AESA زمانی صدق می‌کند که هزینه مدیریت حرارتی سخت افزار در طراحی سیستم در نظر گرفته شود.

در این بخش، بحث را با فرض یک رویکرد DDMA آغاز می‌کنیم که در آن هر کانال MIMO با استفاده از یک تغییر داپلر خاص (شیب فاز) بر روی هر کانال / آنتن انتقال تولید می‌شود تا سیگنال‌ها به طور یکسان در طیف داپلر قرار بگیرند (برای مثال [7]) ( شکل 4-9). فرکانس داپلر اعمال شده در کانال nام به شرح زیر می‌باشد.

که در آن N_s تعداد کانالهای انتقال و f_p، PRF است. سپس فاز کانال nام به صورت زیر است:

که T_s، PRI و m شاخص پالس است. از لحاظ آرایه آنتن، تأثیر شکل موج‌ها ایجاد اختلاف فاز نسبی بر روی هر ورودی آنتن است که الگوی آنتن میدان دور را روی هر پالس تغییر می‌دهد. با جایگزینی f_n، عبارت زیر حاصل می‌شود:

فاز پاسخ v_n,m، در دو ستون اول جدول در شکل (4-12) برای چهار پالس اول در فاصله پردازش مشترک برای یک سیستم دو کاناله N_s = 2 جدول بندی شده است. مشاهده می‌کنیم که سیگنال‌ها در هر کانال بر روی پالس‌های فرد و 180 درجه خارج از فاز، بر روی پالس‌های زوج قرار دارند. بنابراین سیستم با الگوی جمع بر روی پالس‌های فرد و یک پرتو اختلاف بر روی پالس‌های زوج انتقال می یابد که در نمودار بالا در شکل (4-13) نشان داده شده است. این امر را می‌توان با کم کردن فاز v_n,m در کانال‌های مجاور n و n + l نشان داد که به صورت زیر می‌باشد:

که برای مورد N_s = 2 برابر با ∆∅ = πm است، که می‌توان مشاهده کرد که سیگنال‌ها در دو آنتن، در داخل فاز، روی پالس‌های فرد و خارج از فاز، روی پالس‌های زوج قرار دارند. لازم به ذکر است که در مورد سه شکل موج MIMO، مرحله بندی نسبی بین کانال‌ها از پالس به پالس الگوهایی را تولید می‌کند که بین الگوی جمع و پرتوهای دیافراگم کامل با پهنای باند طبیعی آنتن به جلو و عقب هدایت می‌شوند. بنابراین سیستم MIMO در صورت فرد بودن تعداد کانال‌های انتقال MIMO، آنتن را از پالس به پالس با استفاده از الگوهای پرتوی طبیعی اسکن می‌کند. زمانی‌که تعداد کانال‌ها حتی برخی از الگوهای یک پالس مشخص باشند، ممکن است الگوهای پرتو، طبیعی نباشد، همانند موردی که در N_s = 2 وجود داشت و در آن یکی از الگوها الگوی اختلاف بود.

بنابراین نتیجه می‌گیریم که یک آنتن انتقال ساده با قابلیت تغییر پالس به پالس پرتوها، همان DoF فضایی انتقال را مانند شکل موج DDMA بسیار پیچیده‌تر تولید می‌کند. بنابراین می‌توان دید که رویکرد DDMA MIMO به طور موثر سیستمی را با قابلیت تک پالس در انتقال تقویت می‌کند. DoF انتقال را می‌توان با بدست آوردن هر پالس دیگر در گیرنده جدا کرد. یعنی پالس های 1، 3، 5، ... کانال انتقال یک و پالس های 2، 4، 6 ... کانال انتقال دو هستند.

همانطور که در فصل 3 بحث شد، تأثیر اشکال موج MIMO بر روی سخت افزار انتقال سیستم باید در مواردی مورد بررسی قرار گیرد که کانال‌های آنتن سیستم دارای اتصال متقابل غیر صفر بین عناصر آنتن فرستنده باشند. در مورد رادار باند X که در اینجا در نظر گرفته می‌شود، انتظار نمی‌رود که آنتن مسطح با دو زیرآرایه به طور کلی بزرگ، مقدار زیادی اتصال متقابل را بین کانال‌های انتقال دهنده به نمایش دهد، زیرا زیر مجموعه‌ها دارای الگوهای آنتن نسبتاً محدود هستند. با این حال، نشان می‌دهد که چگونه VSWR آنتن از پالسی به پالسی دیگر متفاوت است، زیرا مرحله بندی نسبی آنتن‌ها با استفاده از رویکرد DDMA متنوع است [9].

در این تحقیق از همان مدل آنتن دو پورت ارائه شده در فصل 3 برای یک آرایه آنتن انتقال دهنده با اتصال متقابل استفاده می‌نماییم. در این حالت فرض می‌کنیم که یک آنتن باند X مشابه آن چیزی است که در اینجا در نظر گرفته شده است؛ همچنین، فرض می‌کنیم که کنترل فازی بر روی هر یک از عناصر آنتن وجود دارد و هر جفت از عناصر مجاور مطابق با مدل ارائه شده در فصل 3 دارای اتصال متقابل هستند و برای سادگی فرض می‌کنیم که تمام جفت‌های دیگر عناصر، مستقل هستند (به عنوان مثال، جفت نشده اند). شکل (4-14) VSWR محاسبه شده را برای حالت تک موج و شکل موج DDMA نشان می‌دهد. همچنین، مشاهده می‌کنیم که شکل موج DDMA برای مورد دو کاناله تغییر بزرگی را در VSWR از پالسی به پالس دیگر ایجاد می‌کند. بخصوص، VSWR به طور قابل توجهی زمانی افزایش می‌یابد که شکل موج ورودی منجر به الگوی اختلاف مورد بحث در بالا شود. لازم به ذکر است که این تنوع در VSWR احتمالاً برای سخت افزار باند X واقعی در نظر گرفته شده تا حدودی کمتر مشخص خواهد بود زیرا مدل در اینجا اتصال نسبتاً بالایی را بین کانال ها فرض می‌کند. با این وجود، برای سیستم‌هایی که از کانال‌های MIMO منفرد با الگوهای آنتن وسیع‌تر و سطح بالاتری از اتصال آنتن استفاده می‌کنند مانند نمونه‌های راداری OTH که در ادامه این فصل تشریح می‌شود، در نظر گرفتن این اثر در شکل کلی موج MIMO و طراحی آنتن مهم خواهد بود و در [9] مورد بحث قرار گرفته است.

برای جلوگیری از انتقال با استفاده از الگوی اختلاف، می‌توان تغییر فاز ثابت 90 درجه را به یکی از اشکال موج DDMA که در دو ستون سمت راست جدول در شکل (4-12) نشان داده شده است، اضافه کرد. این امر، عملکرد سیستم MIMO را تغییر نمی‌دهد زیرا دو شکل موج DDMA حاصل همچنان رمپ های فاز مستقلی هستند که امکان جدا سازی شکل موج در دامنه داپلر را فراهم می‌کنند و می‌توان مدت فاز ثابت را در پردازنده سیگنال محاسبه نمود. این عمل به سوئیچ آنتن بین دو پرتوی دیافراگم کامل مجاور از پالسی به پاس دیگر منجر می‌شود که در نمودار سمت راست در شکل (4-13) نشان داده شده است. لازم به ذکر است که در این حالت پرتوها دارای کناره‌های جانبی نسبتاً بالایی هستند زیرا ما از زیرآرایه‌هایی با تفکیک مرکز فاز استفاده می‌کنیم که بسیار بزرگتر از نیم طول موج برای کانال‌های انتقال است.

 

سفارش ترجمه تخصصی رشته مهندسی برق گرایش مخابرات

همانطور که در بالا ذکر شد، مزیت اصلی مشاهده روش DDMA از لحاظ آنتن این است که این امکان را ایجاد می‌کند که داده‌های MIMO با سخت افزار بالقوه پیچیده‌تری جمع آوری شوند. برای مثال، مولدهای شکل موج دلخواه در هر آنتن را می‌توان با تغییر فازهای ساده‌تری جایگزین نمود. در این حالت ما نشان دادیم که فقط باید پرتو را بین دو موقعیت آنتن سوئیچ کرد که از لحاظ نظری می‌تواند با یک تغییر دهنده تک فاز با دو حالت فاز اجرا شود که در شکل (4-15) نشان داده شده است. در این حالت ما از یک شیفت‌دهنده فاز با قدرت بالا در پشت یکی از آنتن‌های فرستنده استفاده کرده و مسیر فرستنده دیگر را بدون تغییر باقی می‌گذاریم. لازم به ذکر است که به جای استفاده از دو رمپ فاز از پالسی به پالس دیگر به عنوان مجموعه شکل موج، این پیاده سازی از یک سیگنال تعدیل شده دو فاز و سیگنال فاز ثابت استفاده می‌کند. نکته اصلی این است که سیستم یک رمزگذاری متغیر با انرژی انتقال را که می‌تواند در پردازنده MIMO مورد بهره برداری قرار گیرد، ارائه می‌دهد. همانطور که در اینجا ذکر شد، مشاهده یک سیستم MIMO از این چشم انداز، مستقیماً به گزینه‌های سخت افزاری ساده‌ای منجر می‌شود.

لازم به ذکر است که هر سیستمی که یک رمزگذاری متغیر زمانی از انرژی انتقال دهنده یا الگوی متفاوت آنتن فضایی انتقال دهنده را ارائه دهد، می‌تواند به عنوان یک سیستم MIMO مشاهده شود. یک مورد قابل توجه، آنتن خط پایه اسکن مورد بررسی در اینجا است. در حالت عملکرد سنتی، سیستم تعدادی پالس را برای هر موقعیت پرتو به عنوان اسکن آنتن جمع آوری می‌کند. اگر CPI دو برابر شود، سیستم همان تعداد پالس سیستم MIMO مربوطه را جمع می‌کند (با فرض اینکه CPI سیستم MIMO دو برابر شود تا دلیل افت بهره انتقال محاسبه شود که در فصل 3 بحث شده است). در این حالت، نیمه اول پالس‌ها برای موقعیت پرتوی یک و نیمه دوم، برای موقعیت پرتوی دو خواهد بود. در مقابل، سیستم MIMO از همان پالس‌ها استفاده می کند. با این وجود، با پرتوی رو به جلو و عقب (درهم آمیخته) به صورت پالس به پالس اسکن می‌شود. بنابراین، مشاهده می‌کنیم که سیستم اسکن پایه و سیستم DDMA MIMO در واقع همان داده‌ها را اما در یک توالی متفاوت جمع می‌کنند. برای اهداف و سیگنال‌های در هم ریخته که به موقع از هم جدا نمی‌شوند، انتظار داریم عملکرد این دو سیستم مشابه باشد. با این وجود، هنگامی که به دلیل تأثیراتی مانند حرکت داخلی در هم ریخته (ICM)، ضریب همبستگی قابل توجهی وجود داشته باشد، سیستم لوبینگ متوالی افت رفع در هم ریختگی را نشان می‌دهد. همچنین، سیستم متوالی از مزیت زمان ادغام طولانی‌تری در مورد اهداف برخوردار بوده و توانایی بهتری برای حل اهداف در ابعاد داپلر خواهد داشت.

رویکرد لوبینگ متوالی در MIMO می‌تواند به راحتی با اسکن پرتو به تعداد دلخواه موقعیت پرتو، کانال‌های انتقال بیشتری را تولید کند. به عنوان مثال، اگر سه کانال فرستنده مورد نظر باشد، آنتن در سه محل پرتوی مجاور به صورت پالس به پالس اسکن می‌شود. همانند روش سنتی DDMA، فضای بدون ابهام قابل استفاده داپلر برای هر کانال ترانزیتی اضافه شده کاهش می‌یابد زیرا PRF به طور موثر با تعداد مکان‌های پرتوی بازدید شده در طی CPI کاهش می‌یابد. مزیت اصلی این است که این استراتژی، کانال‌های MIMO را با یک آنتن اسکن بسیار ساده در مقابل یک سیستم پیچیده‌تر که از مولدهای شکل دهنده موج دلخواه در پشت هر کانال انتقال استفاده می‌کند، تولید می‌کند.

رویکرد DDMA بر ویژگی‌های ابهام شکل موج تأثیر می‌گذارد. سطح ابهام برای رادار باند X پایه در شکل (4-16) نشان داده شده است. حداکثر برد بدون ابهام 150 کیلومتر و حداکثر داپلر بدون ابهام 15 متر بر ثانیه است. در مورد DDMA MIMO با پرتوهای متوالی، ابهام رادار به عنوان تابعی از زاویه آزیموت به هدف متفاوت می‌باشد. برای مثال، یک هدف در سمت برد آنتن بین دو پرتو دارای ابهام همان سیستم پایه است زیرا هدف در هر پالس با انرژی برابر مشخص می‌شود. با این حال، یک هدف در پیک یکی از پرتوهای متوالی فقط در هر پالس دیگر مشخص می‌شود و در نتیجه یک هدف با نیمی از PRF بازگشت می‌یابد.

این موضوع در شکل (4-17) برای سه زاویه مختلف آزیموت نشان داده شده است. همچنین در می‌یابیم که بیشترین تأثیر، افت در فضای بدون ابهام داپلر قابل استفاده است. برای سیستم در نظر گرفته شده، افت در فضای بدون ابهام قابل استفاده داپلر قابل قبول بود، زیرا برنامه انتخابی برای حالت جدید MIMO تشخیص اهداف کند حرکت بود. برای مواردی که تشخیص هدف و موقعیت جغرافیایی با سرعت بیشتر نیز مورد نیاز است، این افت ممکن است کاربرد رویکرد MIMO را محدود کند و بایستی با مزایای عملکرد کلی MIMO توزین شود. در این حالت، یک گزینه جایگزین افزودن مرکز فاز آنتن گیرنده سوم برای دستیابی به تشخیص کند و برآورد تحمل آهسته و جلوگیری از تأثیر MIMO بر ابهام رادار است. متناوباً، اگر کنترل فاز بیشتری به هر کانال اضافه شود، ممکن است بتوان ابهام رادار را برای بهبود فضای بدون ابهام داپلر بهینه کرد، اگرچه این امر باعث افزایش پیچیدگی و هزینه سخت افزار می شود. سرانجام، بسته به سیستم، ممکن است بتوان حالت MIMO را با PRF بالاتر عملی کرد (که با کاهش عرض پالس متناسب است تا میانگین انتقال قدرت را یکسان نگه دارد). در این حالت، این طرح می‌تواند دامنه بدون ابهام قابل استفاده را برای فضای داپلر بدون ابهام قابل استفاده مبادله کند.

معماری سیستم انتخابی در شکل (4-18) نشان داده شده است. مشخص شده است که استفاده از همان سوئیچ پرقدرت در پشت هر آنتن از نظر کالیبراسیون و یکسان سازی کانال گزینه بهتری محسوب می‌شود. وجود سخت افزار یکسان در هر مسیر، تطابق کلی بهتر بین کانال‌ها را تضمین می‌کند. در پایان در می‌یابیم که تنها چیزی که نیاز است، یک سوئیچ پرقدرت و یک تغییر فاز با پیچیدگی کم در ورودی هر آنتن یا زیر آرایه انتقال دهنده است تا همان فرستنده DoF تولید شده با شکل موج DDMA بسیار پیچیده را تولید کند. پیاده سازی سخت افزاری این معماری با استفاده از فناوری شیفت‌دهنده فاز چرخشگر فاراده و با سیستم آنتن رادار UAV تلفنی با دو مرکز فاز ادغام شد. یکی از چالش‌های اصلی طراحی سخت افزار، یافتن دستگاه شیفت‌دهنده فاز با قدرت بالا با افت درج کم از زمان استفاده از تغییر دهنده فاز در مسیر فرستنده بود. دستگاه نهایی مورد استفاده یک شیفت دهنده فاز چرخنده فاراده با دو حالت (0 درجه و 90 درجه) بود که در PRF سیستم در مقابل سوئیچ توان بالا و شیفت دهنده فاز ثابت نشان داده شده در شکل (4-18) سوئیچ می‌شود. پس از تعدادی تکرار طراحی و آزمون، یک آنتن نهایی MIMO با کاهش 0.5 دسی بل افت درج در مسیر انتقال ساخته شد. سیستم جدید به حرکت درآمده و برای جمع آوری داده‌هایی که برای نشان دادن عملکرد حالت جدید MIMO ارزان قیمت استفاده شده است، مورد استفاده قرار گرفت. در ادامه نتایج پردازش داده‌های آزمایشی شرح داده می‌شود.

تکنیک جدید MIMO سوئیچ پرتو آزمایش موفقیت آمیز پرواز را روی یک هواپیمای آزمایشی King Air در ماه مه 2015 به پایان رساند. مجموعه داده‌ها در امتداد ساحل جنوبی لانگ آیلند، نیویورک انجام گرفت. رادار پایه از یک دیافراگم آنتن افقی 18 اینچی با دو زیرآرایه دریافت غیرهمپوشان تشکیل شده است. این آنتن در ابتدا برای شناسایی و ردیابی اهداف با سرعت بیشتر طراحی شده بود اما عملکرد برآورد دارای تحمل محدودی برای اهداف درهم ریخته داخلی بود. ارتقا با استفاده از حالت MIMO سوئیچ پرتو به طور قابل توجهی بهبود عملکرد برآورد تحمل را در کسری از هزینه افزودن یک کانال گیرنده سوم نشان می‌دهد که برای تأمین اندازه دقیق، وزن و قدرت دقیق این مورد به یک مهندسی قابل توجه نیاز است. سیستم راداری UAV برای پلتفرم‌های کوچک UAV با بار مفید محدود با  50 lbs طراحی شده است.

هندسه مجموعه داده‌ها در شکل (4-19) نشان داده شده است. هواپیمای کینگ ایر در ساحل جنوبی لانگ آیلند بالا و پایین رفت. آنتن به صورت مکانیکی 60 درجه در اطراف فضای وسیع و در سمت راست هواپیما با زمان بازدید مجدد در عرض تقریباً 6 ثانیه اسکن شد. با انجام اسکن اطمینان حاصل شد که پرتو اصلی رادار به طور مداوم منطقه آزمایش را روشن می‌کند. منطقه آزمایش زمینی نیز در شکل (4-19) نشان داده شده است و شامل یک شبیه ساز هدف متحرک (MTS) و یک وسیله نقلیه منفرد با GPS است. داده‌ها با MTS هر دو در هم ریختگی داخلی و خارجی با RCS تقریباً 5 dBsm جمع آوری شدند. سرعت پلتفرم/ سکو تقریباً 70 متر بر ثانیه و ارتفاع آن تقریباً 3 kft بود. دامنه تا منطقه مورد نظر تقریباً 5 نانومتر با زاویه میل تقریباً 3 درجه بود. چندین مسیر با آنتن در هر دو حالت MIMO (لوبینگ متوالی) و حالت سنتی (پرتو ثابت) تکمیل شد. این مسیرها مجموعه داده‌های مشابهی را برای هر دو MIMO و یک مورد پرتو منفرد برای استفاده در انجام یک مقایسه کنار هم، فراهم می‌کنند. همچنین، داده‌ها برای مواردی که در چندین مسیر در امتداد آب قرار داشتند، جمع آوری شدند.

شکل (4-18) معماری MIMO کم هزینه. توجه داشته باشید که فقط به یک مولد تک شکل موج نیاز است.

نگاشت‌های در هم ریخته دامنه-داپلر برای مواردی که آنتن فرستنده تغییر نمی‌کند در شکل (4-20) نشان داده شده است. این نگاشت‌های به هم ریخته با پردازش داپلر و فشرده سازی پالس داده ها از یک آنتن دریافتی محاسبه می‌شوند. به این ترتیب، آنها تخمین مناسبی از پرتو اصلی آنتن انتقال دهنده رادار را ارائه می‌دهند. به هم ریختگی زمینی معمولاً قوی‌تر است و به دلیل پوشش ناهمگن زمین، تنوع بیشتری را از خود نشان می‌دهند. به هم ریختگی شدیدتر در هر دو مورد در دامنه‌های طولانی تر به دلیل پیچیدگی است که احتمالاً مصنوعی از الگوریتم پیچیدگی سریع است که برای فشرده سازی پالس داده‌ها استفاده می‌شود.

سفارش ترجمه تخصصی رشته مهندسی برق

نگاشت‌های به هم ریخته برای مواردی که آنتن در حالت MIMO است و پالس به پالس تغییر می‌کند، در شکل (4-21) برای پالس‌های زوج و فرد نشان داده شده است. همانطور که انتظار می‌رود، الگوی انتقال به دلیل سخت افزار سوئیچینگ MIMO بین یاتاقان جلو و عقب نسبت به مقاومت آنتن مشاهده می‌شود. لازم به ذکر است که به طور معمول در مورد رادار MTI هوابرد، داپلر به هم ریخته متناسب با آزیموت به هم ریخته است. برآورد الگوهای پرتوی انتقال با میانگین‌گیری درهم و برهمی در بعد دامنه محاسبه شدند. مقایسه پرتوهای برآورد شده و یک مدل از الگوهای MIMO (به عنوان مثال، شکل (4-13)) در شکل (4-22) نشان داده شده است. می‌توان دریافت که سخت افزار پیاده سازی شده الگوهای پرتویی را تولید می‌کنند که با الگوهای مورد نظر مطابقت دارد.

رنگ‌های سیاه و خاکستری نشان دهنده دو موقعیت پرتو است. دو کانال دریافتی با استفاده از کالیبراسیون روی به هم ریختگی کالیبره شدند (به عنوان مثال [11]). در این مورد از یک روش کالیبراسیون روی به هم ریختگی و تحلیل ویژه استفاده نمودیم. داده‌های مربوط به هر یک از دو کانال گیرنده برای جابجایی به هم ریختگی اصلی پرتوی اصلی به صفر داپلر با استفاده از مقاومت آنتن شناخته شده و موقعیت و سرعت پلتفرم جبران شد. داده‌های دو کانال از انبارک صفر داپلر برای محاسبه ماتریس کوواریانس مکانی 2×2 با استفاده از تعداد زیادی انبارک به عنوان داده‌های آموزشی استفاده شد. بردار ویژه مربوط به بزرگترین مقدار ویژه این ماتریس محاسبه شد. زمانیکه دو کانال کاملاً کالیبره می‌شوند دامنه و فاز سیگنال دردیدرس (درهم و برهمی) باید یکسان باشد، بنابراین دو عنصر بردار ویژه محاسباتی نیز باید یکسان باشند. هرگونه اختلاف در عناصر این بردار، تخمینی از خطاهای کالیبراسیون مکانی سیستم را ارائه می‌دهند. به طور معمول ما تنها به خطاهای فاز نسبی بین کانال‌ها می‌پردازیم زیرا این خطای فاز است که بیشترین تأثیر را بر عملکرد شکل دهی پرتو دارد.