الخلاصة:
في مجال أنظمة النقل الذكية (ITS)، تعاني التوليفات التقليدية للرادار الفردي وكاميرات نقاط التفتيش من ارتفاع التكاليف وصعوبات في دمج البيانات. يعمل نظام التكامل بين الرادار والكاميرات، الذي يدمج بين الرادار والكاميرات ذات الموجات المليمترية، على تحسين التكاليف وتعميق دمج البيانات، ليصبح تدريجياً جهازاً رئيسياً في طبقة الإدراك في أنظمة النقل الذكية. تناقش هذه الورقة البحثية استخدام تقنية الرقاقات المتتالية RFchip، واختيار حل الرقاقة المزدوجة AWR2243 لتعزيز أداء الرادار بالموجات المليمترية. وإلى جانب الرقائق الأمنية الاحترافية، تم تصميم نظام تكامل راداري بصري راداري مع قدرات الكشف عن المسافات الطويلة. على مستوى الخوارزمية، يتم استخدام استراتيجية دمج متعدد أجهزة الاستشعار، ويتم تحسين خوارزمية الكشف عن الهدف YOLOv8n من خلال إدخال شبكة استخراج الميزة الأساسية RepViT واستخدام دالة خسارة SIoU لتحسين دقة انحدار الصندوق المحدود. يقلل النموذج المحسّن من عدد المعلمات بمقدار 24%، ويقلص حجم النموذج بمقدار 22%، ويحسن الكفاءة الحسابية بشكل كبير مع الحفاظ على دقة عالية. من خلال اختبار سيناريو حركة المرور في العالم الحقيقي، يحقق النظام مراقبة 360 درجة للتقاطعات المرورية، مع أقصى مدى كشف يبلغ 350 مترًا ودقة كشف تزيد عن 97%، مما يلبي متطلبات التصميم لأنظمة التكامل الراداري البصري بعيد المدى ويظهر آفاق تطبيق هندسية قوية.

1. مقدمة
مع تسارع وتيرة التحضر وزيادة عدد المركبات، أصبحت ظروف حركة المرور على الطرقات أكثر تعقيداً. وتحظى أنظمة النقل الذكية، التي تعزز كفاءة إدارة حركة المرور وسلامتها، باهتمام متزايد من حيث التطور التكنولوجي. ومن بين أجهزة الاستشعار المختلفة لإدراك حركة المرور، يجمع نظام التكامل بين الرادار والبصر بين مزايا الرادار بالموجات المليمترية وكاميرات الفيديو. ويوفر هذا الدمج قياس الرادار الدقيق للمسافة والسرعة، الذي لا يتأثر بالضوء أو الظروف الجوية، والتعرف على الهدف بالكاميرا بشكل بديهي ومعلومات غنية. بالمقارنة مع عمليات النشر التقليدية المنفصلة للرادار والكاميرا، يوفر نظام التكامل بين الرادار والكاميرا مزايا كبيرة من حيث تكلفة الأجهزة ومزامنة البيانات وتكامل النظام، مما يتيح إدراك حالة حركة المرور واكتشاف الأحداث بشكل أكثر كفاءة.

في السنوات الأخيرة، تطورت تكنولوجيا الرادار بالموجات المليمترية وأنظمة الاندماج الراداري البصري بسرعة. ويستخدم الرادار بالموجات المليمترية تأثير دوبلر للكشف عن سرعة الهدف والمسافة، ويتأثر أداؤه بعوامل مثل نطاق تردد التشغيل وبنية الرقاقة وتصميم الهوائي. واستناداً إلى مسافة الكشف، يُصنَّف رادار الموجات المليمترية إلى أنواع قصيرة المدى وطويلة المدى. وغالباً ما تستخدم معالجة البيانات بنية FPGA أو FPGA+DSP لتحقيق التوازن بين سرعة المعالجة ومرونة النظام. ومن حيث نطاقات التردد، يُستخدم الرادار 24 جيجاهرتز ورادار 77 جيجاهرتز على نطاق واسع. ويعتبر النطاق 77 جيجا هرتز مناسباً بشكل خاص لسيناريوهات مراقبة حركة المرور بعيدة المدى بسبب طوله الموجي الأقصر، وحجم الهوائي الأصغر، ونطاق الكشف الأكبر، والدقة الأعلى.

ومع ذلك، فإن دراسات تصميم نظام التكامل الراداري البصري الحالية محدودة، وتواجه معظم الحلول تحديات في نطاق الكشف أو التكلفة. ولمعالجة هذه المشكلات، تقترح هذه الورقة البحثية حلاً تصميمياً لنظام تكامل راداري بصري مع قدرات كشف بعيدة المدى، استناداً إلى رادار بموجة 77 جيجاهرتز بالموجات المليمترية وتقنية رقاقة الترددات اللاسلكية المتتالية. وتقدم الورقة تفاصيل بنية أجهزته واستراتيجيات تحسين الخوارزمية واختبار جدوى النظام وموثوقيته.

2. نظرة عامة على تصميم النظام

ينقسم نظام التكامل الراداري البصري إلى قسمين رئيسيين: الرادار والفيديو. يتضمن قسم الفيديو شريحة التحكم الرئيسية ووحدة التقاط الصور، باستخدام مستشعر بدقة 5 ميجابكسل لضمان جودة الصورة. ويستخدم قسم الرادار الحل المتتالي ثنائي الشريحة AWR2243 لتشكيل مصفوفة هوائيات ذات 6 إرسال و8 استقبال، مع إشارات مزامنة تتيح التعاون في وضع السيد والعبد. لتحسين جودة إشارة التردد اللاسلكي، يستخدم النظام شريحة إدارة طاقة مخصصة لتشغيل رقائق التردد اللاسلكي. يتحكم معالج الإشارة الرقمية للفيديو DSP في المستشعر لجمع بيانات الفيديو ويدمج بيانات الرادار وبيانات الفيديو داخلياً.

2.1 تصميم قسم الفيديو
يستخدم قسم الفيديو شريحة أمان احترافية، H13403V100، متصلة بمستشعر 5 ميجابكسل عبر بروتوكول MIPI، مما يتيح الحصول على بيانات الفيديو عالية الوضوح ونقلها. توفر هذه الشريحة إمكانات قوية لمعالجة الصور وجدولة البيانات، وتدعم خوارزميات دمج أجهزة الاستشعار المتعددة.

2.2 تصميم وحدة رقاقة الترددات اللاسلكية
يعد تعاقب رقاقات الترددات اللاسلكية للرادار بالموجات المليمترية طريقة فعالة لتحسين أداء النظام. ومن خلال مزامنة رقائق الترددات اللاسلكية المتعددة، يمكن تحسين طاقة الإرسال وحساسية الاستقبال، مما يؤدي إلى تحسين نطاق الكشف والدقة الزاوية. تم اختيار رقاقة AWR2243 كرقاقة تردد لاسلكي أساسية، تعمل في نطاق التردد 76-81 جيجا هرتز بتكامل عالٍ وأداء تردد لاسلكي ممتاز. تدعم رقاقة AWR2243 واحدة 3 هوائيات إرسال و4 هوائيات استقبال، ويؤدي تعاقب رقاقتين إلى توسيع ذلك إلى 6 هوائيات إرسال و8 هوائيات استقبال، مما يحسن بشكل كبير من مرونة النظام ودقة الكشف.

2.3 تصميم وحدة الحصول على بيانات الرادار
يستخدم الحصول على بيانات الرادار حل AM2732 DSP + FPGA. تتحكم AM2732 في رقاقة AWR2243 الرئيسية والعبدية عبر واجهة SPI، وتستقبل بيانات LVDS من المستشعرات الأمامية، وتقوم بالمعالجة الأساسية مثل قياس المسافة المستهدفة والسرعة. أما FPGA فهي مسؤولة عن الحصول على بيانات الرادار وإعادة توجيهها، وإرسال البيانات إلى لوحة التحكم في الفيديو عبر بروتوكول LVDS، واستكمال دمج البيانات الرادارية والبصرية في DSP الرئيسي.

3. تصميم الخوارزمية

يكمن جوهر نظام التكامل الراداري البصري في خوارزمية الدمج بين أجهزة الاستشعار المتعددة. وينفذ النظام معالجة السحابة النقطية للرادار ودمج صور الفيديو في معالج معالجة البيانات الرقمية الرئيسي، بما في ذلك اكتشاف الهدف وتتبعه وربط البيانات.

3.1 اكتشاف الهدف بالرادار
يستخدم الكشف عن الهدف الراداري خوارزمية التجميع DBSCAN، التي تقسم العينات بناءً على الكثافة، وتتعرف بفعالية على نقاط الهدف الموزعة غير الكروية، وهي مناسبة للكشف عن الأهداف المتعددة والأشكال في سيناريوهات حركة المرور.

3.2 كشف هدف الصورة 3.2
يعتمد الكشف عن هدف الصورة على نموذج YOLOv8n، والذي يتضمن مكونات العمود الفقري والرقبة والرأس. ولتعزيز دقة الكشف وكفاءة النموذج، تقدم هذه الورقة البحثية شبكة العمود الفقري RepViT وتستخدم دالة خسارة SIoU لتحسين انحدار الصندوق المحدود.

4. خاتمة

تقترح هذه الورقة البحثية تصميم نظام تكامل راداري بصري بعيد المدى يعتمد على تقنية الرقاقة الرادارية المزدوجة AWR2243 المتتالية. يعمل النظام على تحسين أداء الهوائي من خلال تعاقب الأجهزة، جنبًا إلى جنب مع خوارزميات دمج أجهزة الاستشعار المتعددة ونموذج كشف YOLOv8n المحسّن. ويحقق النظام دقة كشف تفوق 97%، مع أقصى مدى كشف يصل إلى 350 متراً، مما يلبي متطلبات مراقبة حركة المرور لمسافات طويلة في سيناريوهات أنظمة النقل الذكية. وتؤكد نتائج الاختبار ثبات النظام وموثوقيته، مما يوفر قيمة تطبيقية هندسية كبيرة.