كيفية منع التداخل عند عمل عدة رادارات موجات المليمتر بالتوازي

في البيئات الصناعية واللوجستية الحديثة، أصبح من الشائع بشكل متزايد نشر عدة رادارات موجات مليمترية على مقربة من بعضها البعض، سواءً لمراقبة عدة صوامع أو مركبات أو أذرع روبوتية في آنٍ واحد. ومع ذلك، مع تزايد عدد الرادارات، يزداد تحدّي تداخل الإشارات بشكل كبير. إذ يمكن أن يؤدي إرسال واستقبال عدة رادارات في الوقت نفسه إلى تصادم الإشارات، وظهور أصداء خاطئة، وعدم دقة في المدى.

ولضمان تشغيل العديد من الرادارات بشكل موثوق، يتعين على المهندسين تنفيذ مزيج من تخطيط التردد، وجدولة تقسيم الوقت، ومعالجة الإشارات، وتحسين الأجهزة، وتنسيق العقد المتعددة .

بالنسبة للتطبيقات العملية في الأتمتة الصناعية، راجع Linpowave Industry Solutions ، التي تدمج أجهزة استشعار الرادار المتعددة في تخطيطات معقدة مع استقرار مثبت.

فهم مصدر تداخل الرادار

يحدث التداخل عندما يعمل راداران أو أكثر في نطاقات تردد متداخلة ويرسلان إشارات متزامنة. وقد يتجلى التداخل الناتج في قياسات غير مستقرة، أو تحولات متقطعة في النطاق، أو أهداف وهمية.

تتميز رادارات الموجات المليمترية، مثل تلك العاملة في نطاق 76-81 جيجاهرتز FMCW ، بحساسية عالية، لأن أي تداخل طفيف في التردد أو التوقيت قد يؤدي إلى تدهور كبير في الإشارة. ووفقًا لدراسات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات ( IEEE Xplore )، يزداد تداخل الرادار بشكل حاد عندما تنخفض إزاحات التردد عن 100 ميجاهرتز أو عندما تتشارك عدة أجهزة في نفس الإطار الزمني.

في البيئات الصناعية الواقعية، تُضخّم الأسطح العاكسة، كالصوامع المعدنية والناقلات والخزانات، التداخل. في هذه الحالات، غالبًا ما يكون الاعتماد على تقنية تخفيف واحدة غير كافٍ؛ بل يتطلب الأمر استراتيجية متعددة الطبقات.

1. تقسيم التردد: خط الدفاع الأول

يُعد فصل الترددات أسهل طريقة لمنع التداخل. بتخصيص جزء مُحدد من الطيف لكل رادار، تتجنب الأجهزة الإرسال عبر قنوات متداخلة. على سبيل المثال، في نظام بأربعة رادارات:

• يعمل الرادار A على تردد 77.0–77.5 جيجاهرتز

• يعمل الرادار B على تردد 77.5–78.0 جيجاهرتز

• الرادار C عند 78.0–78.5 جيجاهرتز

• الرادار D عند 78.5–79.0 جيجاهرتز

يضمن هذا النهج عدم تداخل إشارات الأجهزة المجاورة مع صدى بعضها البعض. لمزيد من المعلومات التقنية، يُرجى مراجعة معيار ETSI EN 301 091-1 للوائح التردد والطاقة في النطاق 76-81 جيجاهرتز.

في المنشآت الصناعية، مثل الصوامع المتعددة أو الخلايا الروبوتية المدمجة، يُمكن لتقسيم التردد وحده أن يُقلل بشكل كبير من الأهداف الوهمية. تُوظّف أنظمة رادار Linpowave هذا المبدأ في حلولها متعددة المستشعرات لضمان استقرار التشغيل حتى عند تركيب المستشعرات على بُعد متر واحد من بعضها البعض ( حلول Linpowave الصناعية ).

2. جدولة تقسيم الوقت: نوافذ الإرسال المنسقة

عندما يكون الطيف محدودًا أو كثافة الرادار عالية، يُعدّ الإرسال المتعدد بتقسيم الزمن (TDM) أمرًا بالغ الأهمية. في هذه الطريقة، يُخصَّص لكل رادار فترة زمنية محددة لإرسال الإشارات، بينما تبقى الأجهزة الأخرى في وضع الخمول أو الاستقبال.

على سبيل المثال، في تكوين أربعة رادارات:

1. الرادار A يرسل خلال الفتحة 1

2. الرادار B يرسل خلال الفتحة 2

3. الرادار C يرسل خلال الفتحة 3

4. الرادار D يرسل خلال الفتحة 4

يُكرّر النظام الدورة، مما يضمن عدم إرسال رادارين في آنٍ واحد. مع المزامنة الصحيحة، يمكن حتى للشبكات عالية الكثافة أن تتعايش دون تداخل يُذكر.

تستخدم الرادارات المتقدمة نظام التحكم بالتوقيت الرئيسي والتابع للحفاظ على محاذاة دقيقة بين الأجهزة. توفر شركتا ناشيونال إنسترومنتس وكي سايت تكنولوجيز منصات اختبار تُثبت صحة هذا النهج في المختبرات وفي الميدان ( حلول اختبار رادار كي سايت ).

3. معالجة الإشارات: خوارزميات تكيفية لقمع التداخل

حتى مع وجود فاصل زمني وترددي، قد يحدث تداخل متبقٍّ بسبب الانعكاسات، أو الفصوص الجانبية، أو الضوضاء البيئية. تلعب معالجة الإشارات دورًا حاسمًا في تخفيف التداخل .

يتيح التنقل الديناميكي للترددات للرادار الانتقال إلى نطاقات فرعية أكثر وضوحًا عند اكتشاف تداخل. كما تُطبّق بعض الأنظمة توزيعًا عشوائيًا للطور أو التردد لتوزيع التداخل المتبقي عبر طيف دوبلر، مما يُقلّل نسبة الإشارة إلى الضوضاء للأهداف الوهمية.

تُعزز خوارزميات مثل التطبيع الموزون ، وترشيح النافذة المنزلقة ، والاستيفاء الخطي الاستقرارَ من خلال إزالة الفصوص الجانبية أو الأصداء الفاسدة. ورغم أن هذه الخوارزميات تزيد من الحمل الحسابي، إلا أنها ضرورية لسيناريوهات عالية الدقة، مثل مراقبة مستوى الخزان أو اكتشاف الأجسام على الحزام الناقل.

للحصول على مراجع فنية، راجع معاملات IEEE حول نظرية وتقنيات الميكروويف .

4. تصميم الأجهزة: الاستقطاب والتمايز الموجي

يُعدّ استقطاب الهوائي طريقة فيزيائية فعّالة لتقليل التداخل. فباستخدام الاستقطاب المتعامد - إرسال أفقي واستقبال رأسي - تستطيع الرادارات كبح التداخل بحوالي 10 ديسيبل. ويتطلب هذا تصميمًا دقيقًا لمصفوفات الهوائيات، ولكنه فعّال بشكل خاص في التركيبات الثابتة.

يعتمد تمييز شكل الموجة على تقنية MIMO لإنشاء حزم ضيقة ومركّزة. تُقلّل الحزم الضيقة من احتمالية استقبال تداخل الفصوص الجانبية من الرادارات المجاورة. كما أن تغيير منحدرات التذبذبات بين الرادارات بشكل طفيف يُقلّل من خطر التداخل.

يتم تنفيذ هذه الأساليب في الجيل التالي من رادارات التصوير رباعي الأبعاد ، مما يتيح التشغيل المتزامن لعشرات المستشعرات دون تدهور دقة القياس.

5. تنسيق الرادار المتعدد والشبكات ذاتية التكيف

يتضمن النهج الأكثر تطورًا تنسيق الرادار بشكل مستقل . في الشبكات متعددة العقد، يراقب كل رادار البيئة والأجهزة المجاورة باستمرار، ويضبط جدول إرساله وطاقته وتردده ديناميكيًا.

وتشمل الاستراتيجيات الرئيسية ما يلي:

• الوصول المبني على الأولوية: يمكن للرادارات ذات الأولوية العالية أن تطلب من الأجهزة ذات الأولوية الأقل تغيير التردد أو الفترة الزمنية.

• هندسة RF المفتوحة: تمكن من تخصيص الموارد في الوقت الفعلي لتحسين استخدام الطيف.

• التعلم البيئي: تتعقب أجهزة الرادار أحداث التداخل بمرور الوقت، وتكيف التشغيل لتجنب المناطق عالية الخطورة.

تدمج أنظمة رادار Linpowave هذه المبادئ في البيئات الصناعية واللوجستية، مما يسمح لأجهزة استشعار متعددة بالعمل بالتوازي دون تدخل بشري ( حلول صناعة Linpowave ).

6. الأداء في العالم الحقيقي ودراسات الحالة

• نشر رادار TI متعدد الأنظمة: أدى فصل الترددات وتقنية اهتزاز الطور إلى خفض ضوضاء التداخل بمقدار 24 ديسيبل على مسافة متر واحد . كما انخفضت أهداف الشبح بنسبة تصل إلى 90% .

• استراتيجية اضطراب طور جبال الألب: القضاء تمامًا على أهداف دوبلر الزائفة، مما أدى إلى تحسين ثقة الكشف.

• التصوير عالي الدقة رباعي الأبعاد: تحقق مجموعات MIMO 12T24R دقة زاوية تبلغ 0.1 درجة ، مما يميز الأهداف الحقيقية عن سحب التداخل الكثيفة.

تسلط هذه النتائج الضوء على أن التخطيط المناسب للتردد، والتخفيف الخوارزمي، والتنسيق التكيفي ليست مجرد أمور نظرية، بل إنها تعمل في بيئات صناعية عملية.

ملخص

تتطلب أنظمة الرادار المتعددة نهجًا متعدد الطبقات لمنع التداخل:

1. يضمن تخطيط التردد عدم وجود تداخل في القنوات.

2. يمنع جدول تقسيم الوقت الإرسال المتزامن.

3. تعمل خوارزميات معالجة الإشارات على قمع التداخل المتبقي.

4. يؤدي تحسين الأجهزة، مثل الاستقطاب والتمايز بين أشكال الموجات، إلى إضافة فصل مادي.

5. تتيح شبكات الرادار ذاتية التكيف التنسيق في الوقت الفعلي.

تضمن هذه الاستراتيجيات مجتمعةً تشغيلًا موثوقًا به في البيئات الصناعية الكثيفة أو العاكسة أو عالية التداخل. مع ازدياد استخدام التصوير رباعي الأبعاد ودمج أجهزة الاستشعار المتعددة ، سيصبح تداخل الرادارات المتعددة أكثر قابلية للإدارة والتنبؤ.

لمزيد من المعلومات حول حلول الصناعة متعددة الرادارات، قم بزيارة Linpowave Industry Solutions .

التعليمات

س1: هل يمكن أن يتداخل راداران في نفس النطاق 80 جيجاهرتز مع بعضهما البعض؟
ج: نعم، إذا تداخلت زقزقاتهم في الوقت أو التردد. يُنصح بفصل الترددات أو جدولة تقسيم الوقت.

س2: ما هي المسافة الآمنة الدنيا بين الرادارين؟
ج: اعتمادًا على عرض شعاع الهوائي والطاقة، فإن ≥0.5 متر يعد آمنًا عادةً لأجهزة استشعار الرادار الصناعية بتردد 80 جيجاهرتز.

س3: كيف يتعامل Linpowave مع التداخل متعدد الرادارات؟
أ: يضمن التنقل الترددي التكيفي والتنسيق بين العقد المتعددة التشغيل المستقر حتى في التصميمات المدمجة.

س4: هل تزيد الأسطح العاكسة من خطر التداخل؟
ج: نعم. زوايا التركيب المناسبة، وعزل التردد، وتشكيل الشعاع عوامل بالغة الأهمية.