أصبح رادار الموجات المليمترية (mmWave) تقنية استشعار أساسية في تطبيقات مثل المركبات ذاتية القيادة، والروبوتات الصناعية، وأنظمة المرور الذكية، ومراقبة الأمن. يتيح تردده العالي، الذي يتراوح عادةً بين 24 و140 جيجاهرتز، دقةً مكانيةً عاليةً واكتشافًا دقيقًا للأجسام الصغيرة أو البعيدة. في حين يتفوق رادار الموجات المليمترية في قياس المسافة والسرعة، إلا أن التحديد الدقيق لزاوية الهدف لا يزال يمثل تحديًا. تُعزى هذه القيود في المقام الأول إلى تصاميم المصفوفات الطورية ، واستراتيجيات تشكيل الحزم ، والعوامل البيئية. يُعد فهم هذه القيود والحلول الناشئة أمرًا بالغ الأهمية للمهندسين الذين ينشرون أنظمة رادار موثوقة.
1. ما هي المبادئ وراء قياس الزاوية في رادار الموجات المليمترية؟
يعتمد قياس الزاوية في رادار الموجات المليمترية على فروق الطور بين الإشارات المُستقبَلة عبر عناصر هوائي متعددة. تُمكّن المصفوفات الطورية من توجيه الشعاع إلكترونيًا عن طريق ضبط طور كل عنصر هوائي، مما يُلغي الحاجة إلى الدوران الميكانيكي. يتيح ذلك مسحًا سريعًا عبر مجال رؤية واسع مع الحفاظ على معدلات كشف عالية.
يحسب الرادار الزوايا بقياس التأخير الزمني وتحول الطور بين الإشارات المرسلة والمستقبلة. وخلافًا للمسافة والسرعة، اللتين غالبًا ما يمكن استخلاصهما مباشرةً من تحولات التردد، فإن تقدير الزوايا حساس للغاية لتصميم المصفوفة، وتباعد العناصر، وتقنيات معالجة الإشارات .
2. لماذا تكون الدقة الزاوية محدودة في المصفوفات الطورية وتشكيل الحزمة؟
2.1 عدد عناصر الهوائي
تتأثر الدقة الزاوية بشكل كبير بعدد هوائيات الإرسال والاستقبال. فكلما زاد عدد العناصر، زادت دقة الحزم، مما يتيح تمييزًا أدق بين الأهداف المتقاربة. على سبيل المثال، يُمكّن نظام MIMO 4×4 نظريًا من تحديد الأهداف التي تفصل بينها 14 درجة. ومع ذلك، عمليًا، قد تتداخل انعكاسات الأجسام القريبة، مما يُقلل من الدقة الفعلية ( تقارير الطبيعة العلمية ).
2.2 دقة توجيه الشعاع
يعتمد توجيه شعاع الرادار على مراحل طورية منفصلة . قد تؤدي الزيادات الكبيرة إلى عدم محاذاة الشعاع مع الهدف، مما يقلل من دقة الزاوية. تُحسّن الزيادات الصغيرة الدقة، لكنها تزيد من تعقيد الأجهزة وتكلفتها ( arXiv:1909.12024 ).
2.3 تداخل الفص الجانبي
يُنتج تشكيل الحزمة فصوصًا جانبية ، وهي قمم ثانوية قد تُسبب اكتشافات خاطئة أو تتداخل مع الأهداف المجاورة. يُعد تحسين هندسة المصفوفة، والترجيح، والمعالجة أمرًا أساسيًا لتقليل تأثيرات الفصوص الجانبية وتحسين دقة الزاوية ( arXiv:2505.10150 ).
3. ما هي التحديات الواقعية التي تؤثر على دقة الزاوية؟
3.1 غموض الهدف القريب
في شوارع المدن، أو المصانع، أو المستودعات، قد تشغل عدة أجسام زوايا متشابهة. عندما تقع الانعكاسات ضمن حدود الدقة الزاوية للرادار، يحدث غموض في الزاوية ، مما يُصعّب تتبع الأهداف أو تصنيفها بدقة ( تقارير نيتشر العلمية ).
3.2 التدخل البيئي
يمكن أن تؤدي انعكاسات المسارات المتعددة، والتشتت، والانسداد إلى تشويه الإشارات المُستقبَلة. كما أن البيئات الحضرية الكثيفة أو الداخلية ذات الأسطح العاكسة قد تُقلل من دقة قياس الزاوية، مما يجعل معالجة الإشارات الدقيقة أمرًا ضروريًا ( arXiv:1909.12024 ).
3.3 قيود معالجة الإشارة
قد تواجه التقنيات التقليدية، مثل تشكيل الحزمة باستخدام FFT أو كشف CFAR، صعوبة في ظروف انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) أو تعدد الأهداف. قد تُحجب الانعكاسات الضعيفة، وقد تُنتج الضوضاء ذروات زائفة، مما يُبرز الحاجة إلى خوارزميات متقدمة.
4. كيف يمكن تحسين الدقة الزاوية؟
4.1 قمع الذروة الزائفة المكانية
يؤدي قمع الذروة الزائفة إلى تقليل الذروات الكاذبة في الطيف الزاوي، مما يسمح بالتمييز بين الأهداف المتقاربة بشكل أكثر فعالية ( تقارير الطبيعة العلمية ).
4.2 التعلم العميق والمعالجة القائمة على الذكاء الاصطناعي
تُحلل خوارزميات التعلم العميق بيانات الرادار في نطاق زاوية دوبلر ، مُحددةً الأهداف الحقيقية في بيئات متعددة الأهداف وصاخبة. تستطيع الشبكات العصبية التلافيفية (CNNs) تعويض قيود تشكيل الحزمة والفصوص الجانبية ( arXiv:2505.10150 ).
4.3 عمارة المصفوفات الهجينة
تتيح مُحوّلات الطور المُدمجة مع عناصر التأخير الزمني الحقيقي (TTD) تغطية زاوية واسعة مع الحفاظ على أداء عالي الدقة. يتكيف هذا التصميم الهجين ديناميكيًا مع حركة الهدف والظروف البيئية ( IEEE Access ).
4.4 تشغيل الرادار متعدد الأوضاع
يتيح التبديل بين وضعي MIMO وتشكيل الحزمة للرادارات تحسين دقة الزاوية والمدى لمختلف السيناريوهات. يُعد وضع MIMO مناسبًا للمناطق الحضرية الكثيفة، بينما يُعزز تشكيل الحزمة التغطية في المساحات المفتوحة.
5. ما الذي يحمله المستقبل لقياس زاوية الرادار بالموجات المليمترية؟
كثافة هوائي أعلى: تؤدي زيادة عناصر المصفوفة إلى تضييق الأشعة، مما يعزز الدقة الزاوية للأهداف المتقاربة.
الخوارزميات التكيفية: تعمل تقنية تشكيل الحزمة التكيفية المدعومة بالذكاء الاصطناعي على تحسين اكتشاف الزاوية في الوقت الفعلي.
دمج المستشعرات: يؤدي الجمع بين الرادار مع LiDAR أو الكاميرات إلى تعويض القيود الزاوية، مما يحسن موثوقية الإدراك.
التصغير وخفض التكلفة: تتيح التطورات في تكنولوجيا أشباه الموصلات إنتاج مجموعات رادار عالية الأداء بتكلفة أقل، مما يؤدي إلى توسيع فرص النشر.
6. الأسئلة الشائعة
س1: ما هي الدقة الزاوية في رادار mmWave؟
أ: الدقة الزاوية هي قدرة الرادار على التمييز بين هدفين بزوايا مختلفة، وهو أمر ضروري لفصل الأجسام المتقاربة.
س2: كيف تعمل المصفوفات الطورية على تحسين قياس الزاوية؟
أ: تقوم بتوجيه شعاع الرادار إلكترونيًا، مما يتيح إجراء مسح دقيق دون الحاجة إلى دوران ميكانيكي.
س3: كيف تؤثر البيئة والانعكاسات على الدقة الزاوية؟
أ: يمكن أن تؤدي المسارات المتعددة والتشتت والانسداد إلى تشويه الإشارات أو حجبها، مما يقلل من دقة القياس.
س4: هل يمكن للذكاء الاصطناعي تعزيز الدقة الزاوية؟
ج: نعم. تستطيع أطر عمل الذكاء الاصطناعي والتعلم العميق اكتشاف الأهداف بدقة أكبر في حالات انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء أو تعدد الأهداف.
س5: ما هي الاتجاهات التي تشكل قياس زاوية الرادار mmWave؟
أ: إن زيادة كثافة الهوائي، والخوارزميات التكيفية، وهندسة المصفوفات الهجينة، ودمج أجهزة الاستشعار هي أهم الاتجاهات المستقبلية.