أطروحة ماجستير لتحسين إشارات الرادار Costas Signal باستخدام النمذجة الرياضياتية والتحقق عبر المحاكاة والبرمجة الخوارزمية.

يُعتَبَرُ البحثُ عن حلٍّ عمليٍّ وأمْثَليٍّ لمسألة تصميم الشكل الموجي في الرادار هدفاً رئيسياً لمُصمَّمي رادارات ضغط النبضة، ذلك لأنَّ الشكل الموجي للإشارة المُرسَلة في الرادار يُحدِّدُ التمييزيّة في قياس مدى الهدف وسرعته، ويتحكّمُ بأداء الكشف والملاحقة لعدة أهداف، ويؤثَّر على أداء النظام بشكلٍ عام فيما يخصَّ المناعة ضد الضجيج والتداخل مع الكسَرات، ويُمكن النظر إليه كأحدِ الأركان الرئيسيّة لمعالجة الإشارة الراداريّة. يُمثِّل تابعُ الغموض أداةً محورية في تصميم الأشكال الموجيّة لأنظمة الرادار والسونار على حدٍّ سواء، وقد تمَّ قبوله عموماً كمقياس لأداء الشكل الموجي وفق متطلبات النظام، وهو مفهومٌ شيعَ التعاملُ معه أيضاً كمقياسٍ للغموض الناجم عن الشكل الموجي عند الكشف وتمييز عدة أصداء رادارية بشكل متزامن. في هذا السياق، يتمُّ النظر إلى الشكل الهندسي لمقطع الفص الرئيسي الخاص بتابع الغموض ومستوى الفصوص الجانبيّة على امتداد مجال تعريفه وفق محوري تأخير الصدى وانزياح دوبلر، وذلك من أجل تقييم أداء الشكل الموجي المقابل. لقد استُخدمِتْ الأشكال الموجيّة المبنيّة على أساس ترميز التعديل الترددي كوستاس بشكلٍ واسع في أنظمة الرادار الحديثة مثل رادارات البحث، نظراً للمواصفات شبه المثاليّة لتابع الغموض الموافق؛ حيث تكون التمييزية عالية في المدى والسرعة وتحقق مستوى منخفض من الفصوص الجانبيّة، ولكن ذلك من أجل أطوال ترميز كبيرة. نُركِّزُ في بحثنا هذا على تراميز كوستاس ونقترح تصميمين جديدين أمْثَليَّين وعمليَّين للشكل الموجي، بحيث تتجلّى متطلبات التصميم بالحصول على انخفاض ملحوظ لمستوى الفصوص الجانبيّة دون الحاجة إلى استخدام تراميز كوستاس طويلة، ودون تغيير التمييزية الأصليّة، ونقيِّم مواصفاتهما وفق متطلبات تصميميّة أخرى. ننطلق في التصميم الأول من نبضة كوستاس التقليديّة ونُجري على مخطط التعديل الموافق لها تطويراً أمْثَليّاً على مستوى أوزان مطالات النبضات الجزئيّة، ونستخدم تقنيّة تكيّفيّة مع مُعامِلات تبعثر الهدف التي يتم نمذجتها في النسخة المُستقبَلة من الشكل الموجي للحصول على تلك الأوزان الأمْثَلية، وبحيث يتم تقريب تابع الغموض للشكل الموجي المُقترَح بتابع غموض بمواصفاتٍ مرغوبة. تُوزع إجرائيّة التكيّف الاستطاعة المُرسَلة على نبضات كوستاس على نحو أمثلي. بيَّنت النتائج أنه باستخدام هذه الطريقة يمكننا الحصول على أداءً يتوافق نسبياً ومتطلبات التصميم وتحسيناً ملموساً مقارنةً بالوضع الابتدائي لمستوى الفصوص الجانبيّة في منطقة الفص الرئيسي، مع حساسيّة أقل لظاهرة اقتران مدى الهدف بانزياح دوبلر. نقترحُ في التصميم الثاني تطويراً جذريّاً على الشكل الموجي لكوستاس التقليدي، بحيث نستند إلى نتائج التصميم الأول، فنقدِّم مخطط تعديلٍ جديد كليّاً لرشقة من النبضات الجزئية ذات المطالات الموزنة بشكل تكيّفي مع مُعامِلات تبعثر الهدف، وبحيث تُرسَل هذه النبضات الجزئية عند لحظات زمنيّة أمْثَلية. أثبتَ التصميم الثاني تحسّناً ملموساً، مقارنةً بالوضع الابتدائي ومع طريقة غولومب في التباعد الزمني المتغير بين النبضات الجزئية، وذلك فيما يتعلق بمستويات الفصوص الجانبيّة في كل من منطقي الفص الرئيسي والفصوص الجانبيّة المتكررة دون التأثير على التمييزية أيضاً، ومن جديد دون الحاجة إلى استخدام تراميز كوستاس طويلة جداً. نُطبِّق كل من خورازميّة النقطة الداخليّة والخوارزميّة الجينيّة تطبيقاً مباشراً لحل مسائل الأمْثَلة والتكيّف المقترحة للتصميمَين السابقين، ونستخلص نتائج هذين التصميمين عن طريق المحاكاة باستخدام منصة ماتلاب. The search for a practical and optimal solution to the problem of waveform design in the radar is considered a major goal for designers of pulse compression radars, because the waveform of the transmitted signal in the radar determines the resolution of both the target's range and velocity, and controls the performance of detection and tracking in general for several targets, and affects the performance of the system, e.g. immunity to noise and interference with clutters. Radar waveform design can be viewed as one of the main pillars of radar signal processing. The ambiguity function is a pivotal tool in designing waveforms for both radar and sonar systems, and it has been generally accepted as a measure of waveform performance in accordance with system requirements. It is commonly used as a measure of ambiguity resulting from the waveform upon detection and the simultaneous resolving of several radar echoes. In this context, both the geometry of the main lobe cut of the ambiguity function and the levels of the side lobes along the echo delay-Doppler plane are considered to evaluate the performance of the designed waveform. Costas codes-based frequency modulated waveforms have been widely used in modern radar systems such as search radars, due to the near-ideal characteristics of the corresponding ambiguity function due to the simultaneous high resolution for both target's range and velocity, beside to its very low level of sidelobes, but for Costas code to be longer and longer. In this thesis, we focus on Costas codes and propose two new, optimized and practical designs for the waveform, so that the design requirements are manifested in obtaining a significant decrease in the level of the sidelobes without the need for long Costas codes and without changing the original resolution, and hence evaluating their resultant performance among other design requirements. In the first design, we proceed from the traditional Costas pulse and optimize the corresponding modulation scheme in regard to the sub-pulse amplitude weights, and then use an adaptive technique with the target scattering coefficients that are modeled in the replica version of the waveform to obtain those optimized weights. That is done such that the ambiguity function of the proposed waveform is approximated with an ambiguity function with desirable specifications. We found a performance commensurate with the design requirements and a tangible improvement compared to the initial situation in the level of the sidelobes in the main lobe area, with less sensitivity to the phenomenon of Range-Doppler coupling, in addition, the transmitted power towards the target is redistributed for better as a result of the adaptation procedure. In the second design, we propose a radical development of the traditional Costas waveform, based on the results of the first design, presenting a completely new modification scheme for a burst of sub-pulses with weighted amplitudes that are adapted to the target scattering coefficients too and so that these sub-pulses are sent at optimal moments of time. The second design demonstrated a significant improvement, compared to the initial situation and with the Golomb method, in the sidelobes levels in both the main lobe and recurrent sidelobes areas also without affecting the resolution and without the need to consider the Costas codes too long. We directly apply both the Interior-Point and the Genetic Algorithms to solve the optimization and adaptation problems proposed for the two previous designs, and extract our results by simulation using the MATLAB platform.