(أ) أن تكون المترجمات المتطورة إلى الأرقام هي الوصلات الناقد بين العالم المشابك للإشارات الرادارية والمجال الرقمي لتجهيز البيانات، وفي نظم الرادار ذات الترددات الاصطناعية في نهاية المطاف، يجب على البلدان النامية أن تلتقط بإخلاص إشارات ضوئية من سطح الأرض أو أهداف أخرى،

The Fundamental Role of ADCs in Spaceborne Radar and SAR Systems

أما نظم الرادار الفضائية فتعمل عن طريق نقل موجات الكهرومغناطيسية نقية ثم تلقي الأصدى المبعثرة من السطح، ويجب تحويل الإشارة المشابهة الواردة بعد التكسير والتصفية إلى كلمات رقمية للتجهيز اللاحق، وفي منطقة البحث العلمي، يجب أن يحدث التحويل بسرعة عالية لأن حركة الرادار ذات الصلة بالأرض تخلق ضوضاء ذاتية تتطلب معلومات دقيقة ومتحركة من جانبي.

وبالإضافة إلى التصوير، تؤدي الرادارات الفضائية التألق والتفرق والتنشيط، والإشارة إلى الهدف المتحرك، وكلها تعتمد على الدقة في رقمنة الصدى المتلقاة، فعلى سبيل المثال، يجب أن يقيس مقياس الريح المحيطي الواسع النطاق المقطع المتخلف مع ارتفاع الدقة في نطاق دينامي كبير من سطح البحر المهدأ إلى موجات عالية الحدة)١٦(.

النظر في معدلات أخذ العينات ومعدلات الضم

وتقضي نظرية العينات في نيكوست - شانون بأن يكون معدل أخذ العينات ضعف عنصر التردد الأعلى على الأقل في الإشارة المشابهة، وفي نظم البحث والتطوير العملي التي تنقلها المنطقة، قد يتراوح نطاق الترددات المتلقاة بين عشرات ومئات الميغاهرتز، تبعاً لشرط تسوية النطاق، وعلى سبيل المثال، فإن نظاماً يهدف إلى حلّ ضوضاء نصف قطري واحد يستعمل حداً أقصى من 150 هكتاراً.

وعلاوة على ذلك، يستخدم العديد من الرادارات الفضائية موجة مستمرة من الترددات أو الترددات، حيث يجب على شركة ADC أن تلتقط عرضا فوريا واسعا من الترددات، مع الحفاظ على التسلسل عبر جميع الترددات، ويجب اختيار معدل أخذ العينات ليطابق تردد نبضات القلب ومعدلات القفز المطلوبة.

مقاييس الأداء الرئيسية للبلدان الجزرية الصغيرة النامية في منطقة الفضاء

ويتجاوز تقييم شركة ADC لبعثة فضائية معدل أخذ العينات البسيطة والعمق قليلاً، إذ تحدد عدة مقاييس مترابطة مدى ملاءمتها:

  • Effective Number of Bits (ENOB):] accounts for quantization noise, thermal noise, and distortion. A 12-bit ADC with an ENOB of 10.5 bits may be perfectly adequate for a given application, whereas a 16-bit tool with 13.5 ENOB offers superior dynamic range but at the cost of higher power consumption.
  • Spurious-Free Dynamic Range (SFDR): ] Measures the difference between the fundamental signal and the largest noise spur. High SFDR (typically ⁇ 80 dBc) is essential to avoid false targets in clutter-limited SAR imagery.
  • غير الخطيّة تُحدث تشوهات متناسقة وتُحطّم دقة الصورة الإشعاعية، أما الشبكة الدولية للطلاب دون 0.5 إل إس بي وDNL تحت 0.25 ليز (LSB) فهي أهداف مشتركة بالنسبة لمكونات الصفّ الفضائي.
  • strstrong ⁇ Power Dissipation: /strong ⁇ In a satellite with limited solar power and thermal management constraints, minimizing ADC power is a first-order design goal. Typical spaceborne ADCs consume between 0.5 and 2 W, but emergingرقs aim for 100 mW per channel at high speeds.

أثر قرار لجنة البلدان الأفريقية بشأن نوعية التصوير بالأشعة دون الحمراء

وتسهم الضوضاء الكمية التي تصدرها شركة ADC إسهاما مباشرا في الحد الأدنى من الضوضاء في النظام، فبالنسبة لرقم ضوضاء نظام معين، يؤدي زيادة قرار شركة ADC (أكثر قليلا) إلى الحد من الضجيج الكمي، مما يؤدي إلى تحسين جهاز رصد الترددات الرقمية، غير أن الاستحقاقات تُشبع عندما تنخفض الضوضاء الكمية إلى حد بعيد عن الضوضاء الحرارية التي تُحتفظ بها أمام جهاز الاستقبال.

وفي منطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة، تتسم الدقة في مرحلة ما بعد الولادة بنفس القدر من الأهمية، إذ تتسبب الأخطاء في المراحل في سوء تسجيل الأهداف في الاتجاه الزموثي، وتخفض الاتساق في تطبيقات البحث عن الفضاء فيما بين المناطق المترابطة، ولا بد من الإبقاء على ممر القفزات المتحركة تحت بضع مئات من السلاسل الأرضية (الأعراق) التي تعمل فيها نظم تشغيلية أعلى من ذلك.

ADC Architectures and their Suitability for Space

وقد استخدمت عدة أجسام من طراز ADC في نظم رادارية فضائية، وكل منها مبادلات بين السرعة والحل وكفاءة الطاقة.

Pipeline ADCs

وتكسر أجهزة التصعيد النمطي للخطوط العريضة التحويلية إلى مراحل متعددة، وتعالج كل منها بضع مرات، ثم تجمع بين النتائج رقميا، وتوفر توازنا جيدا في السرعة (حتى عدة مئات من الهارتز) والقرار (10-14) مع إبقاء استهلاك الطاقة معتدلا، ويحتاج العديد من البلدان النامية ذات الكفاءات الفضائية، مثل تكنولوجيا السينار (الأجهزة الانجابية) 16، و 130 من أجزاء الإشعاعات العنيفة، إلى تركيبة.

Sigma-Delta (XIII) ADCs

وتستخدم أجهزة تحديد النطاقات في شكل أكثر من العينات والضوضاء التي ترسمها لتحقيق حل مرتفع جداً (حتى 18 قطعة) بتكلفة أقل من الترددات (النموذج 10 MHz) وهي جذابة بالنسبة لتطبيقات مثل أجهزة التأشيرات والجهاز التناثري حيث يكون نطاق الترددات الضيقة ولكن الدينامية هو أمر حاسم.

Flash ADCs

وتستخدم البلدان الجزرية الصغيرة النامية مصرفاً من المتجانسات لإجراء التحويل في دورة واحدة على مدار الساعة، مما يحقق سرعة عالية للغاية (حتى عشرات الهرتز) حيث ينمو استهلاكها من الطاقة وحجمها بشكل مكثف مع حلها، مما يحد منها إلى 6-8 أجزاء في الممارسة العملية، وتستخدم أجهزة الإرسال ذات النطاقات العالية جداً كنقطة أمامية في صفائف متقطعة زمنياً أو كمترجمين دون المستوى في هياكل ثابتة على نطاق واسع.

بيانات محددة زمنياً

ويجمع الانتقال من الزمن بين البلدان النامية الأكثر بطئاً في موازاة تحقيق معدلات أخذ العينات الإجمالية الأعلى، فعلى سبيل المثال، يمكن لنظام يستخدم أربعة 250 ميغاهيرتز من البلدان النامية أن يُعين في جهاز قياسي واحد، غير أن الأخطاء في الربح، وقابلتها، وتوقيتها فيما بين القنوات تخلق طوابق متحركة تؤدي إلى تدهور معدلات التبادل الترددي السريع (الحد الأقصى من المعالم والمعالم الرقمية) هي عوامل إلزامية بالنسبة لعملية المعايدة.

آثار الإشعاع واستراتيجيات الحد من الفقر

ويطرح الإشعاع الفضائي تحدياً فريداً للبلدان الجزرية النامية، إذ تتسبب آثار الجرعة المؤينة الإجمالية في تحولات عتبة في مترجمي حركة النقل البحري، مما يؤدي إلى زيادة التسرب وانخفاض التسلسل، ويجب أن تصمم الآثار ذات الظواهر الوحيدة، مثل الاضطرابات ذات الظواهر الوحيدة، والموثوقية الوحيدة التي يمكن أن تلحق بالأجهزة، أو تدمير الجهاز.

وتشمل التقنيات المشتركة للتخفيف ما يلي:

  • Redundancy] - باستخدام التكرار الثلاثي في التحكم في المنطق ومدونات تصحيح الأخطاء بالنسبة لبيانات النواتج.
  • Shielding] — local tungsten or tantalum shields reduce the impact of energetic particles.
  • Calibration circuits that continuously monitor performance and correct for radiation-induced drift.
  • استخدام هوامش التصميم المحافظة - الإفراط في نقل المترجمين واستخدام حلقات الحراسة للحد من قابلية التحمل.

وهذه التدابير تزيد من استهلاك المساحة والطاقة ولكنها ضرورية لبعثات طويلة الأجل (مثلاً، 5 سنوات في مدار أرضي منخفض أو عمليات في مدار أرضي متوسط حيث تكون بيئة الإشعاع أشد قسوة).

Progresss in ADC Technology for Spaceborne SAR

وقد شهد العقد الماضي تقدما ملحوظا في أداء شركة الحفريات، مدفوعا بالارتقاء شبه الموصلات وبهيكلات جديدة، وفيما يتعلق بالتطبيقات الفضائية، تجدر الإشارة بوجه خاص إلى عدة اتجاهات:

معايرة رقمية على الرصيف

وتدمج البلدان المتقدمة الحديثة المحركات الرقمية ذات المعايرة التي تعوض عن أخطاء العناصر، وعدم الترميز، بل وحتى الانجراف الناجم عن درجة الحرارة، مما يتيح تحقيق درجة أعلى من التصريف الخام (مثلاً، جوهر 14 مبتداً) في منطقة يموت فيها الكيل بمسافات قصيرة، مع إجراء المعايرة دورياً أو باستمرار، أما بالنسبة للفضاء، فيجب تصميم هذه الحلقات المعايرة للتسامح مع الآثار غير المؤثرات المعايرة.

الهندسة المعمارية الهجينة (التعليق + التقريب)

وتبرز البلدان الجزرية الصغيرة النامية المهجورة التي تجمع بين سرعة التضاؤل مع تشكيل الضوضاء التي تشكل نظاماً للمسح الجسيمي، ويمكنها أن توفر ⁇ 12-T ENOB على نطاق الترددات التي تتجاوز 100 ميغاهرتز مع الاحتفاظ بالسلطة دون 500 ميغاواط. ويجري تقييم هذه الأجزاء لبعثات البحث والتطوير المقبلة التي تتطلب قدرات عالية الاستبانة وذات نطاق واسع.

3D Integration and Chiplets

ويتيح التكامل الثلاثي الأبعاد للرقم القياسي للتصنيف الصناعي لليد العاملة، والمعايرة الرقمية، والذاكرة أن تُجمع رأسيا، مما يقلل الطفيليات ويمكّن من زيادة النطاق الترددي مع التحكم في البصمة، كما يؤدي هذا النهج إلى تحسين الإدارة الحرارية ويتيح تحديث الوحدات، وتقوم عدة وكالات فضائية باستكشاف وحدات قائمة على رقائق البيانات ذات الصلة التي يمكن الجمع بينها باستخدام مداخلات السيليكون.

دعم التجهيز الداخلي

ومع ارتفاع تجهيزات البحث والتطوير على متن الساتل فيما يتعلق بتطبيقات مثل تحريك الكشف عن الأهداف ورصد الكوارث في الوقت القريب، يجري دمج البلدان النامية بصورة وثيقة مع صفائف البوابات القابلة للبرمجة في الميدان أو دوائر متكاملة ذات تطبيقات محددة، مما يقلل من نطاقات نقل البيانات ويتيح وصلات متطورة بين أجهزة تحديد النطاقات وضغط نبضات عالية بعد التحويل مباشرة.

دراسة حالة: وحدات الكميات المسندة في بعثات العمليات الفضائية المولدة في منطقة البحث العلمي

وتوضح عدة بعثات فضائية تابعة لمنطقة البحث والتطوير تطور وأهمية تكنولوجيا التعاون التقني في مجال التنمية.

جهاز الاستشعار الفضائي الأوروبي

ويستخدم جهاز الاستشعار من نوع سيتينيل-1 سلسلة استقبال رقمية عالية، ويعمل جهاز الاتصال الآلي المزدوج التابع له على 250 ميسبس مع حل 12 بيتا، ويحقق مجموعة دينامية من 70 دي بي، وتشمل وحدة تحديد البيانات المتطورة معايرة مبنية، وتُعتبر مؤهلة لمهمة الساتل البالغ 400 1 كغ التي تمتد سبع سنوات.

ألمانيا TerraSAR-X / TanDEM-X

وتستخدم هذه السواتل ذات النطاق الاكسي الترددي (سار) معدلاً قدره 300 ميغاهيرتز لأخذ العينات مع حل قدره 12 ميغاهيرتز، ويتطلب التردد العالي جداً للناقلات (9.6 غيغاهرتز) تطويع مراحل استثنائية؛ وتعاني مواصفات التلويث من التلويث أقل من 100 ثانية، وقد أثبت هذا النظام القدرة على توليد نماذج للارتفاع الرقمي بدقة عمودية أفضل من مترين.

Canadian RADARSAT Constellation Mission (RCM)

وتستخدم السواتل التابعة لآلية التنسيق الإقليمي ثلاثة سواتل متطابقة لرصد الأرض، وتشتمل حمولاتها من أجهزة الاستلام ذات المدار الثابت بالنسبة لها على جهاز استقبال يعمل على مدار 14 ميغاغراماً تعمل في 180 ميغابايت، ويحسن العمق العالي قليلاً من عملية الاستدلال الإشعاعي لأغراض المراقبة البحرية ورصد التشوهات الأرضية، وتستخدم أجهزة التصنيع المحتوية على الإشعاعات، وتستخدم تقنيات تخطيط متخصصة لضمان الحصانة في المدار القطبي البالغ 600 كيلومتر.

الاتجاهات والتحديات المستقبلية

وسيتطلب الجيل القادم من منطقة البحث العلمي الفضائية مزيداً من الطلب من البلدان النامية الجزرية الصغيرة، كما أن بعثات الأسلحة الصغيرة التي توزع عدداً كبيراً من السواتل الصغيرة (أو كيوبسات) تحتاج إلى أجهزة مدمجة ذات طاقة منخفضة، وتحافظ على أداء عالي رغم محدوديتها، وعلاوة على ذلك، فإن الاتجاه نحو استخدام أجهزة التصفير الرقمية باستخدام هوائيات الأشعة المتحركة على مراحل يتطلب قنوات متعددة للتكامل الرقمي (تراوح بين عدة مسافات والمئات) لكل ساتل، وكل منها متزامنة.

وثمة حدود أخرى تتمثل في استخدام الاستخبارات الاصطناعية لتفسير البيانات في الوقت الحقيقي، إذ أن تجهيز الشبكات العصبية مباشرة على إشارات الرادار الرقمية يتطلب أجهزة متخصصة من أجهزة الإرسال ذات ذكاء متكامل (في حساب الخرسانة أو في حوسبة قريبة من الذكر) وفي حين أن هذه النُهج لا تزال في مرحلة البحث، فإنها يمكن أن تقلل كثيرا من حجم البيانات المتصلة بالأرض.

وأخيرا، فإن البيئة الإشعاعية القاسية في مدارات أرضية منخفضة جدا )في المدار الأرضي، ارتفاع ٢٠٠ كيلومتر( أو في بعثات فضائية عميقة )رسم خرائط للمركبات، بالرادار الكوكبي( ستواصل دفع مصممي شركة التعمير والتنمية إلى الابتكار في تقنيات التصلب دون التضحية بالسرعة أو الكفاءة.

خاتمة

إن المحولات المشابهة إلى الأرقام هي حجر الزاوية في أجهزة الرادار الحديثة المحمولة في الفضاء والجهاز الراداري الاصطناعي، مما يربط نطاق الاستشعار الناظري بمرونة التجهيز الرقمي، إذ أن معدل أخذ العينات، والتسوية، والتسلسل، وكفاءة الطاقة، يحددان بصورة مباشرة نوعية الصور القابلة للتحقيق، والتغطية، وعمر البعثة، حيث تتطلب البعثات الفضائية أداء أكبر في مجال التجهيزات الرقمية الأصغر حجما، التي تتطور فيها مجموعات أجهزة التحكم في الطاقة.

وللاطلاع على مزيد من القراءة بشأن موثوقية شركة الحفر الفضائية وتجهيز إشارات البحث عن المدار الثابت بالنسبة للأرض، يرجى الرجوع إلى الموارد التالية: