לדלג לתוכן

מכ"ם גל רציף

מתוך המכלול, האנציקלופדיה היהודית

מכ"ם גל רציף (מאנגלית: Continuous-Wave Radar או בקיצור: CW Radar) הוא מכ"ם המשדר גלי רדיו (גל אלקרומגנטי) כגל רציף[א], קולט את ההחזרים מהעצמים בהם הגל פוגע ומניתוח ההדים החוזרים, מזהה את העצמים שבגיזרה. כאשר עוסקים במכ"ם גל רציף נהוג להשתמש בשם: "מכ"ם CW".

המכ"ם הוא מכ"ם דופלר. השימוש במכ"ם דופלר מאפשר לחשב את מהירות העצמים בהתאם לאפקט דופלר. (על פי אפקט זה, האות המוחזר ממטרה יהיה בתדר שונה מזה של האות שפגע במטרה והשינוי בתדר תלוי במהירות המטרה).[1][2] לדוגמה: תוואי שטח כגון אדמה, מבנים וכן הלאה, מאחר שהם אינם נעים, התדר המוחזר מהם זהה לתדר המשודר, בעוד שמעצמים נעים, התנועה גורמת להסטת תדר האות המוחזר. באמצעות מדידת ההפרשים בין תדרי הגל המשודר והחוזר (שזהו הסטת דופלר) ניתן לחשב את מהירות המטרה. במכ"ם CW מתבצע סינון מטרות לא נעות וכאלו שנעות במהירות נמוכה לכן ההסטה בתדר גם מסייעת למכ"ם לסנן את הפרעות הרקע והרעש הנוצר כתוצאה מהחזרים של עצמים קבועים, ולהתמקד אך ורק בהחזרים מהעצמים הנעים (בהם התנועה גורמת להסטת תדר האות המוחזר על פי תופעת הדופלר). תכונה זו מאפשרת חיפוש וזיהוי של מטרות הנעות גם בגובה נמוך, מאחר שניתן להבחין בין ההחזרים מהמטרה הנעה לבין הרעש של ההחזרים החזקים מהקרקע אותם ניתן לסנן, מאחר שתדר החזרים אלו זהה לתדר המשודר בעוד שהחזרי כלי הטיס הם בתדר מוסט. .[1][3][4][5][6]

סוגים

ישנם שני סוגים עיקריים של מכ"ם גל רציף:[4]

גל רציף לא מאופנן

שידור גל רציף לא מאופנן
שינוי באורך הגל הנגרם מתנועת המטרה

הערה: מכונה בדרך כלל מכ"ם דופלר. (יש להבחין בינו לבין מכ"ם פולס דופלר. במכ"ם פולס דופלר מתבצע גם עיבוד דופלר על האות החוזר, אבל במקרה זה האות המשודר מאופנן פולסים ואיננו גל רציף). מכ"ם פולס דופלר מכונה גם מכ"ם MTI (Moving Target Indication).[6]

סוג זה של מכ"ם הוא הבסיסי והמכ"ם CW הראשון שפותח. מכ"ם CW לא מאופנן משדר גל אלקרומגנטי בתדר קבוע ברציפות על ציר הזמן וללא כל איפנון מכל סוג.[7] האות המוחזר מהמטרה משתנה כאמור על פי אפקט דופלר, כאמור, שינוי תדר הדופלר תלוי במהירות המטרה, על כן, מכ"ם CW לא מאופנן מגלה אך ורק מטרות נעות מאחר שמטרות נייחות אינן מיצרות הסחת דופלר.[4] אותות חוזרים ממטרות נייחות או נעות לאט אינן מתגלות כי הם ממוסכות (זוכות למיסוך) על ידי אות השידור. עם הופעת אלטרנטיבות, מכ"ם CW לא מאופנן משמש בעיקר לשימושים בעלי דרישות רדודות, אזרחיים ברובם. השימושים של מכ"ם גל רציף לא מאופנן נמצא בירידה עקב היתרונות של הדגם המאופנן ביחס לדגם הלא מאופנן.[6]

חישוב מהירות המטרה

כאמור, מכ"ם דופלר מאפשר לחשב את מהירות המטרה מתוך מציאת תדר הדופלר (תדר הדופלר הנמדד הוא ההפרש בין התדר המשודר לתדר המוחזר מהמטרה ונקלט במקלט המכ"ם.[7] אם תדר הדופלר מסומן ב-f(doppler), אורך הגל של המכ"ם מסומן ב-λ. תדר השידור של המכ"ם מסומן ב-f(Trans), ומהירות המטרה מסומנת ב-v(target), (c - מהירות האור) אז החישוב הוא:[8][9][5]

f(doppler)[Hz.]=2*v(target)[m/s]λ[m.]=2*v(target)[m/s]*f(Trans)[Hz.]c

כלומר, תדר הדופלר נמצא ביחס ישר למהירות המטרה.

דוגמה מספרית

נניח מכ"ם בתדר 6 גה"צ ומטרה נעה במהירות 0.9 מאך, חישוב מקורב:

f(doppler)[Hz.]=2*300[m/s]*6*109[Hz.]3*108=36*10113*108=12*103

כלומר תדר הדופלר המתקבל ממטרה זו הוא בקירוב 12 קה"צ.

גל רציף מאופנן

בשורה העליונה נראה הגל המשודר לכיוון המטרה. בשורה התחתונה נראים ההדים החוזרים מהמטרה בהשהיה מסוימת
אחרת
ביצוג זה הציר האופקי הוא הזמן והאנכי הוא התדר: בצבע אדום התדר המשודר באיפנון של פונקציית שן מסור. ההדים החוזרים של אותו אות נקלטים על ידי המקלט בהשהייה של Δt ומתוארים בצבע ירוק. fD המתואר בתרשים הוא תדר הדופלר הנובע מתנועת המטרה

מכ"ם גל רציף מאופנן מכונה בדר"כ מכ"ם FMCW (נובע מ: Frequency Modulated Continuous Wave radar).[10][11] מכ"ם זה הוא תת-סוג של מכ"ם CW, גם הוא משדר גל רציף, אך יש לו יכולת נוספת של שינוי התדר שידור, כלומר תדר השידור מאופנן ומשתנה על פי חוקיות מוגדרת מראש (חוקיות זו היא פונקציית האיפנון.[7][12] פונקציית האיפנון הנפוצה ביותר היא פונקציית שן מסור, אך יש ומשתמשים גם באפנון מסוג סינוס, גל משולש וגל ריבועי.[11][13][14] מכ"מי FMCW פועלים לעיתים קרובות עם אפנון תדר מחזורי, שחייב להיות ליניארי בזמן ככל האפשר כדי לעמוד בדרישות דיוק מדידה גבוהות.[6] חוסר הליניאריות הקיימת לעיתים קרובות (של שינוי תדר המוצא כפונקציה של הבקרה) מפוצה על ידי תיקון מקדים של מתח הבקרה שנוצר דיגיטלית (כלומר שימוש בטבלאות כיול).

איפנון זה מאפשר למדוד, בנוסף למהירות המטרה, גם את הטווח למטרה.[4] יכולת זו היא חיונית כאשר ישנם מספר מטרות בשטח, או במקרים שמדידת המרחק היא צורך מרכזי, כגון במד גובה של כלי טיס או של טילים מנמיכי טוס. המדידה מתבצעת כדלקמן: במהלך הזמן Δt=2*Rc הנדרש לאות המשודר לעבור את המרחק R עד לעצם המוחזר פעמיים (הלוך וחזור) במהירות האור c, תדר המשדר כבר השתנה. (ככל שהתדר משתנה מהר יותר, כלומר, ככל ששיפוע שינוי התדר df/dt גדול יותר, כך ההשפעה גדולה יותר.) מאחר שתדר השידור משתנה כל הזמן (עקב האיפנון תדר הנ"ל), גם ההדים החוזרים מהמטרה הינם בתדר משתנה כל הזמן (על פי תדר השידור). המקלט מודד את ההשהיה בין הזמן שתדר מסוים שודר לבין הזמן שאותו תדר נקלט. מהפרש זמנים זה ניתן לחשב את המרחק למטרה באופן הבא:

חישוב טווח למטרה

כאמור, מכ"ם FMCW מאפשר לחשב את הטווח למטרה מתוך מציאת הפרש הזמנים בין שידור תדר מסוים לבין קליטתו.[12] אם הפרש הזמנים מסומן ב-Δt, והטווח למטרה מסומן ב־R (c - מהירות האור) אז החישוב הוא:[12][13][4][5][6]

R[m.]=c[m/s]*Δt2

כלומר, המרחק נמצא ביחס ישר לזמן.

חישוב מהירות המטרה

חישוב מהירות המטרה מתבצעה בדיוק כמו במכ"ם CW רגיל כמתואר למעלה.[9]

אפנון קפיצות תדר Frequency Shift Keying (FSK)

אפנון קפיצות תדר במכ"ם FMCW

מכ"ם כזה מכונה FMCW-FSK. זהו מקרה פרטי של מכ"ם גל רציף מאופנן (FMCW). אפנון קפיצות תדר מאפשר למכ"ם גל רציף מאופנן תדר לאמץ יתרונות של מכ"ם פולסים. במקום מתח אפנון משולש או מתח אפנון מסור, משתמשים במתח מלבני. לכן, מכ"ם FSK פועל כמו מכ"ם CW, אך קופץ הלוך ושוב בין שני תדרי שידור. אלה קרובים יחסית זה לזה כך שאותות ההד של שני התדרים נמצאים בתוך רוחב הפס של המקלט. כדי למדוד את מרחק המטרה, נמדד הזמן מקפיצת התדר של המשדר, עד שקפיצת תדר זו נקלטת באות המוחזר. מכאן נקבע המרחק למטרה, בדיוק כפי שמתקיים במכ"ם פולסים.

באיור של אפנון קפיצות תדר במכ"ם FMCW, מתואר בצבע אדום אות השידור. (הציר האנכי הוא ציר התדר, כאמור, אות השידור מאופנן בצורה של קפיצה בין שני תדרים, ולכן הוא נראה באיור קופץ בין תדר fS1 לתדר fS2 וחזרה.) בצבע ירוק מתואר האות המוחזר מהמטרה. הציר האופקי הוא ציר הזמן והאות המוחזר מהמטרה הינו בהשהיית זמן שהוא הזמן שהגל האלקארומגנטי נע מהמשדר למטרה ומוחזר ממנה. לאות המוחזר קיימת גם סטיית תדר קטנה שהיא הסטיה הנובעת מאפקט הדופלר. בצבע כחול מתואר ההפרש בין האות האדום לבין האות הירוק. מדידת השהייה זו מאפשרת לחשב את המרחק למטרה ומדידת תדר הדופלר - את מהירות המטרה.

אפנון בתדר מדורג Stepped-Frequency Continuous Wave (SFCW)

מכ"ם FMCW-SFCW הוא מקרה מורכב של FSK, במכ"ם זה האפנון איננו בין שני תדרים אלא בין מספר תדרים. מנגנון זה מקל על המעקב אחרי מספר מטרות בו זמנית, כל אחת עם דופלר אחר.[15]

מבנה

דיאגרמת בלוקים 1: מבנה מופשט של מכ"ם CW

מכ"ם CW מורכב בדרך כלל מהחלקים המרכזיים הבאים (ראו דיאגרמת בלוקים 1):[14][4]

  1. מקור RF שמייצר אות חשמלי המיועד להיות אות השידור בתדר הנידרש.
  2. אות המוצא של המקור מנותב דרך מפצל לכיוון אנטנת השידור, בנתיב זה, לפני האנטנה, נמצא בדרך כלל מגבר להגברת אות השידור.
  3. האות החשמלי מגיע לאנטנת השידור, האנטנה תפקידה להמיר את האות החשמלי המגיע אליה לגל אלקטרו מגנטי המשודר לחלל האוויר לכיוון אליה היא מופנית.
  4. ההדים של שידור זה החוזרים מהמטרה, נקלטים על ידי אנטנת הקליטה[ב].[16][6]
  5. אנטנת הקליטה ממירה את אנרגיית הגל האלקטרומגטי הפוגע בה לאות חשמלי.
  6. אות חשמלי זה מוגבר באמצעות קדם מגבר ומנותב לערבל (Mixer).
  7. הערבל מפיק, בין היתר, אות בתדר שהוא הפרש (וגם סכום) תדרי האותות בכניסתו. במקרה הזה, האותות בכניסתו הם:
    • דגימה של אות השידור.
    • האות החוזר מהמטרה
  8. הפרש התדרים בין האות המשודר לבין האות החוזר הוא אות בתדר על פי אפקט דופלר.
  9. אות זה מסונן באמצעות פילטר, מוגבר באמצעות מגבר ומנותב לממיר A/D, מכונה גם ADC (Analog to Digital converter) הממיר מתרגם את האות החשמלי האנלוגי למילה דיגיטלית שמנותבת לעיבוד דיגיטלי לצורת חילוץ הפרמטרים הנדרשים.[6][8][17]
גרסאות של מבנה זה

ישנם גרסאות רבות ומגוונות ביחס לתיאור סכמטי זה, על פי הדרישות מהמערכת, התקציב, הטכנולוגיה וכיוצ"ב. מספר גרסאות להלן:

  1. בדורות הראשונים של מכ"מי CW לא היה ממיר A/D וכל העיבוד היה אנלוגי.
  2. במכ"מי CW לביצועים גבוהים, הפילטר במוצא הערבל מוחלף לפילטרים רבים במקביל, כל אחד מהפילטרים הוא לתחום תדרי דופלר אחרים. מבנה זה משפר מאוד את ביצועי המערכת ורגישות הקליטה מאחר שלכל פילטר כזה חודר רעש קטן משמעותי וכתוצאה משתפר היחס אות לרעש בעיבוד האות. תאורטית, ככל שהפילטרים צרים יותר (ולכן יש יותר פילטרים במקביל) ביצועי המכ"ם יהיו טובים יותר, עד לרוחב הפילטר המתאים לרוחב מסננת מתואמת. (רוחב מסננת מתואמת הוא הרוחב רעש RMS של ה-FM של המשדר). מנגנון של פילטרי דופלר מקביליים מאפשר גם למדוד מספר מטרות הנעות במהירויות שונות.[6] הערה: במכ"מי דופלר קטנים וזולים, כגון מכ"ם משטרתי אין מנגנון כזה, לכן, רק הדופלר החזק ביותר נמדד, משמעות הדבר שאם מספר כלי רכב נראים בתמונה שצילם המכ"ם, בדרך כלל לא ניתן להוכיח לאיזה רכב שייכת המהירות הנמדדת.
  3. מגבר השידור (המגבר שלפני אנטנת השידור) היה בעבר מגבר שפורפרתי, בהמשך, בחלק מהשימושים, הוחלף למצב מוצק (Solid State) על פי הדרישות מהמערכת והפשרות המתבקשות (טווח גילוי נידרש, גודל מטרה לגילוי נידרשת, נפח, משקל, מחיר, אמינות, תחזוקתיות, ניידות, תנאי סביבה וכיוצ"ב).
  4. מבנה מקור ה-RF עצמו מותנה בסוג המכ"ם CW:
    • במקרה של מכ"ם לא מאופנן, זהו מקור בתדר קבוע המורכב ממתנד בתדר קבוע ומגבר.
    • במקרה של FMCW זהו מקור שמכיל מנגנון לאפנון התדר, עם פונקציית האפנון הנידרשת. ראו דיאגרמת בלוקים 2.
  5. כדי להשיג ביצועים טובים של מדידת הדופלר ושל רגישות המערכת, לא מבצעים את סינון הדופלר על תדר ה-RF של המכ"ם, אלא מורידים את תדר האות המוחזר מהמטרה לתדר ביניים נמוך יותר (מכונה תדר IF - Intermediate Frequency),[4][5][6] מנגנון זה מגדיל את המערכת אך מפיק מערכת איכותית ורגישה יותר. ראו דיאגרמת בלוקים 3. בדוגמה זו תדר ה-IF הוא 30 מה"צ ותדר המכ"ם הוא 9 גה"צ ואז התדר המתקבל (ראו פרוט באיור): 9030−(9000+fD)=30−fD
  • דיאגרמת בלוקים 2: מבנה של FMCW עם מנגנון לפונקציית אפנון התדר. מנגנון זה מורכב מ־D/A (Digital to Analog converter) הניזון מפקודות דיגיטליות שמגדירות את פונקציית האיפנון הנדרשת. הממיר מפיק אות מתח אנלוגי על פי הפיקוד הדיגיטלי, מתח זה מנותב ל־VCO (Voltage Controlled Oscillator) שמפיק תדר על פי מתח שבכניסה שלו. יציאת ה-VCO מסוננת ומוגברת ומהווה את אות השידור המאופנן. בדורות הראשונים, הפיקוד על ה־VCO היה אנלוגי ובדורות המאוחרים יותר, המתנד של אות השידור, נשלט ישירות על ידי פיקוד סיפרתי.
    דיאגרמת בלוקים 2: מבנה של FMCW עם מנגנון לפונקציית אפנון התדר. מנגנון זה מורכב מ־D/A (Digital to Analog converter) הניזון מפקודות דיגיטליות שמגדירות את פונקציית האיפנון הנדרשת. הממיר מפיק אות מתח אנלוגי על פי הפיקוד הדיגיטלי, מתח זה מנותב ל־VCO (Voltage Controlled Oscillator) שמפיק תדר על פי מתח שבכניסה שלו. יציאת ה-VCO מסוננת ומוגברת ומהווה את אות השידור המאופנן. בדורות הראשונים, הפיקוד על ה־VCO היה אנלוגי ובדורות המאוחרים יותר, המתנד של אות השידור, נשלט ישירות על ידי פיקוד סיפרתי.
  • דיאגרמת בלוקים 3: מבנה של מכ"ם FMCW משופר. במבנה זה מתווסף מתנד נוסף המסומן כאן fZF, נניח לדוגמה שתדר זה הוא 30 מג"צ, ותדר מתנד המכ"ם fS הוא 9 גה"צ. הערבל הראשון ניזון משני אותות אלו, וביציאתו מסונן סכומם, כלומר 9,030 מה"צ. אות זה מזין את הערבל השני שניזון גם מהאות המוחזר מהמטרה שהוא 9 גה"צ שעליו רוכב תדר הדופלר. כאשר מ-9030 מה"צ מוחסר אות זה, מתקבל אות בתדר 30 מה"צ שעליו רוכב דופלר. כעת ניתן למדוד את הדופלר בדיוק גבוהה יותר וברגישות גבוהה יותר. (הערה: בדיאגרמת בלוקים זו יש שימוש באנטנה אחת בלבד והסירקולטור מנתב את אות השידור לאנטנה לצורך שידור. בקליטה, האות המוחזר מנותב על ידי הסירקולטור (Circulator) לכיוון ערוץ הקליטה, זהו סוג של פשרה כאשר לא מתאפשר שימוש בשתי אנטנות)[6].
    דיאגרמת בלוקים 3: מבנה של מכ"ם FMCW משופר. במבנה זה מתווסף מתנד נוסף המסומן כאן fZF, נניח לדוגמה שתדר זה הוא 30 מג"צ, ותדר מתנד המכ"ם fS הוא 9 גה"צ. הערבל הראשון ניזון משני אותות אלו, וביציאתו מסונן סכומם, כלומר 9,030 מה"צ. אות זה מזין את הערבל השני שניזון גם מהאות המוחזר מהמטרה שהוא 9 גה"צ שעליו רוכב תדר הדופלר. כאשר מ-9030 מה"צ מוחסר אות זה, מתקבל אות בתדר 30 מה"צ שעליו רוכב דופלר. כעת ניתן למדוד את הדופלר בדיוק גבוהה יותר וברגישות גבוהה יותר. (הערה: בדיאגרמת בלוקים זו יש שימוש באנטנה אחת בלבד והסירקולטור מנתב את אות השידור לאנטנה לצורך שידור. בקליטה, האות המוחזר מנותב על ידי הסירקולטור (Circulator) לכיוון ערוץ הקליטה, זהו סוג של פשרה כאשר לא מתאפשר שימוש בשתי אנטנות)[6].

היסטוריה

  • 1865 היינריך הרץ מגלה גלים אלקטרומגנטיים ואת ההדים החוזרים ממשטחים מתכתיים בניסויים המעשיים שלו על חישובי מקסוול.
  • 1897 מרקוני מדגים שידור גלים אלקטרומגנטיים לטווחים גדולים.
  • 1900 טסלה מציע לגלות גופים מתכתיים באמצות גלים אלקטרומגנטיים.
  • 1904 רעיון זה אומץ על ידי המהנדס הגרמני כריסטיאן הולסמאייר, שפיתח את המכ"ם גל רציף הראשון, שהוצג בפומבי מגשר הריין בקלן ולאחר מכן נרשמה כפטנט במספר מדינות. הוא איתר ספינה מתקרבת במרחק של עד 3 ק"מ, ההמצאה לא זכתה לעניין רב.
  • 1920 תואר הרעיון של שימוש במכ"ם FMCW למדידת גובה היונוספרה.[18]
  • 1921 הומצאה שפורפרת מגנטרון, שאפשרה שידור של גלים אלקטרומגנטיים בהספק מתאים.
  • 1922 שני מהנדסי החשמל אלברט ה. טיילור וליאו סי. יאנג מה- NRL (ארצות הברית) הושפעו מהצלחותיו של מרקוני והדגימו בניסוי גילוי של סירה בנהר באמצעות גלים אלקטרומגנטיים.
  • 1930 במעבדות NRL הודגם גילוי מטוס באמצעות שידור אלקטרומגנטי.
  • בשנת 1935 הותנע פיתוח ממוקד של טכנולוגיית מכ"ם, לאחר הבנת התועלת ממנה. עקב הטווחים הנדרשים לאיתור ספינות ומטוסים, דגש הפיתוח היה על טכנולוגיית מכ"ם פולסים, שיטת ה-CW נשכחה חלקית, שכן היכולות הטכניות של התקופה אפשרו טווחים מוגבלים בלבד עם מכ"ם CW.
  • 1938נכנס לשרות מכ"ם SCR268 לבקרת אש נגד מטוסים.
  • 1939 הותקן מכ"ם על מפציץ B-17 לגילוי כלי שיט בלילה ובערפל. חברת בל פרסמה תיאור של מד גובה מכ"מי.[19]
  • 1940 מערכות מכ"ם שונות מפותחות בארצות הברית, אנגליה, גרמניה ויפן בלחץ מלחמת העולם השנייה. הצרכים המבצעיים במלחמה גרמו לדחיפה דרמטית בקצב פיתוח ואספקת המערכות. לדוגמה, בתחילת המלחמה הצוללות הגרמניות פגעו פגיעה אנושה בשיירות האספקה באוקיינוס האטלנטי, התקנת מכ"מים מוטסים הגדילה מאוד את הגילוי והפגיעה בצוללות אלו גם בלילה. והקף הפגיעה בשיירות ירד, לאחר חודשים, משהבין הצי הגרמני את הגורם לפגיעות אלו, פיתח הצי הגרמני פעילות צוללות בעומק פריסקופי, כלומר רק הפריסקופ בולט מעל המים והוא היווה מטרה קטנה מדי לגילוי על ידי מכ"מים אלו. לאחר כשנה פיתחו האמריקאים מכ"ם בתדר גבוה שהצליח לגלות גם פריסקופים והתקינו אותו במטוסיהם, אירוע זה סימל את תום עידן שלטון הצוללות הגרמניות באוקיינוס האטלנטי.[20] כמו וכן הותקן מד גובה APN-1 שהיה מסוג מכ"ם FMCW במטוסים אמריקאים.[6][5]
  • 1956 קו יצור ראשון של מכ"ם משטרתי למדידת מהירות מכוניות.
  • בראשית שנות השישים רשויות חיזוי מזג אויר הצטיידו במכ"מי דופלר.[2][4][5][6]

יתרונות וחסרונות

להלן השוואה יחסית של שני סוגי מכ"מי CW ושניהן ביחס לאלטרנטיבה, מכ"ם פולסים:

מס נושא מכ"ם CW מכ"ם פולס הערות
CW לא מאופנן FMCW פולס רגיל פולס דופלר
1 אפנון בזמן אין אפנון בזמן אין אפנון בזמן פולסים פולסים כדי לדייק, במכ"מי CW אין כלל פולסים על ציר הזמן, אך מכ"ם FMCW מאופנן תדר, כלומר בזמנים שונים הוא מפיק תדר שונה, ראה פרוט למעלה.
2 אפמון בתדר אין מאופנן אין מאופנן
3 מבנה פשוט מאוד פשוט לא פשוט לא פשוט ולכן מכ"ם CW קומפקטי, קל משקל וזול יותר. ניתן להתקינו בפלטפורמות קטנות וגם בקטנות מאוד.
4 אמינות גבוהה גבוהה פחות גבוהה פחות גבוהה ולכן תחזוקת מכ"ם CW פשוטה יותר וזולה יותר
5 גילוי מטרות קרובות מאוד אפשרי אפשרי מוגבל מאוד מוגבל מאוד מגבלת מכ"ם פולסים למטרות קרובות נובעת מהזמן המת בין שידור לקליטה, במכ"ם CW, שמשדר וקולט בו זמנית, אין מגבלה כזו וביכולתו למדוד גם מרחקים של סנטינמטרים.
6 גילוי מטרות נייחות לא לא כן כן חוסר היכולת להבחין בעצמים נייחים, מאחר שאין להם דופלר. תכונה זו עשויה להיות יתרון ולעיתים חסרון. קל לגלות מטרות נעות במכ"ם CW כי כל הנייחות מתבטלות, אך כאשר נדרש לגלות מטרות נייחות, נדרש מכ"ם אחר.
7 מדידת מרחק למטרה לא כן כן כן
8 הספק השידור מוגבל מוגבל לא מוגבל לא מוגבל ההגבלה נובעת ממגבלות הפיזור הטרמי במערכת CW.[ג]
9 גילוי מטרות בטווחים גדולים מאוד מוגבל מוגבל אפשרי אפשרי מכ"ם CW מוגבל בטווח הגילוי עקב ההגבלה על הספק השידור, במכ"ם פולסים המגבלה על הספק השידור, מצומצמת בהרבה.
10 התמודדות מול החזרים מהסביבה טובה מאוד טובה מאוד מוגבלת טובה במכ"ם CW ההחזרים מהסביבה הנייחת מתאפסים כי אין להם סטית דופלר. במכ"ם פולסים יש גם לסביבה הנייחת הדים חוזרים, איתם המערכת נידרשת להתמודד.
11 דיוק במדידת טווח למטרה אין טובה מאוד בינונית טובה מאוד מדידת המרחק על ציר התדר מדויקת יותר מהמדידת על ציר הזמן. מכ"ם פולסים מודד טווח רק על בסיס מדידת זמן קליטת הפולס המוחזר, שהוא אירוע חד פעמי עבור הפולס. בעיבוד דופלר החישוב מתבצע על בסיס הפרש התדר לאורך זמן רב, תהליך שמאפשר אינטגרציה בחישוב לשיפור הדיוק.[11]
12 עמידות לל"א טובה מאוד טובה מאוד פחות טובה טובה לדוגמה מוץ שתנועתו נגרמת רק מהרוח, מהירות זו עשויה להיות איטית ביחס למהירות המטרות, ועל כן קל לבטל אותה בחישוב דופלר.

הערות:

  • המידע בטבלה הוא מידע יחסי בלבד, מאחר שמכ"ם CW שמחירו עשרות דולרים ומשקלו פחות מקילו, שונה ממכ"ם CW שמחירו מאות אלפי דולר ומשקלו טונות.
  • יתרון נוסף של מכ"מי CW בשימושים צבאיים שצץ מבלי שהתכוונו אליו מלכתחילה הוא ההפרעה שהם מיצרים לכל מערכות הל"א של הצד השני מאחר שמערכות אלו מתרכזות בקליטת הפולסים של המכ"מים בזירה (מכ"מי פולס הם מרבית הזירה הצבאית). במצב זה שידורי CW גורמים לפגיעה בביצועים של מערכות הל"א.

שימושים

כללי

למכ"ם גל רציף שימושים צבאיים ואזרחיים כאחד. כללית מכ"ם CW לא מאופנן משמש בעיקר כגלאי תנועה ומד מהירות ובעיקר מול מטרה בודדת. מכ"ם FMCW משמשים בעיקר למדידת מרחק, גובה ומהירות.

מכ"ם גל רציף בישראל

בישראל מפותחים ומיוצרים מכ"מי גל רציף מזה עשרות שנים במפעל אלתא שהוא למעשה בית המכ"ם של ישראל,[21][22][23] בדרך כלל על פי דרישות לקוחותיה בעולם וחלקם לדרישות מערכת הביטחון, מכ"מים אלו הינם בשימוש זרועות האויר, ים ויבשה בצה"ל. דוגמאות למכ"מי גל רציף מתוצרת ישראל הם:

  • ELM-2114 מערכת מכ"ם ממוזערת[24]
  • ELM-2226 מערכת מכ"ם להגנת חופים.[25]
  • ELM-2112 מערכת התרעה טקטית למשימות מגוונות.[26]

שימושים צבאיים

  • מערכות התראה אווירית המשולבות במערכות טילים.
  • מערכות גילוי והתראה למיניהם, ראו דוגמאות למעלה.
  • מערכות ביות לטילי נ"מ בביות חצי-אקטיבי. בביות חצי-אקטיבי הפלטפורמה המשגרת את טיל האוויר אוויר מאירה את המטרה באמצעות מכ" הגל רציף שלה והטיל מתביית על הגל החוזר מהמטרה. דוגמה למערכות כאלו הם AIM-7 ספארו ומשפחת טילי Standard (אנ') והפלטפורמות המשגרות מגוונות, מוטסטת, מושטות או קרקעיות.[27][28][29][30]
  • מכ"ם לרכישת מטרות, לדוגמה מכ"ם FMCW סובייטי מדגם Clam Shell המיועד להמעביר מטרות מנמיכות טוס למערכת בקרת האש של סוללת SA-10,[31] מכ"ם CW מדגם MIM-23 בסוללת טילי הוק.
  • מכ"ם לחיפוש אווירי, ציון מטרות והכוונת מטוסי קרב. לדוגמה מכ"ם FMCW סובייטי מדגם Bar Lock למכ"ם זה פותחו שיפורים וגירסות רבות בשנות שרותו הממושכים[32][33][34]
  • מדי גובה המותקנים במטוסים[5][6] (דוגמת F-14 טומקט ו-OV-1 מוהוק) ומל"טים.[7]
  • מדי גובה בטילים, (בעיקר טילים כנגד מטרות שטח: קרקע וספינות - שם יש יתרון לפגיעה במטרה בגובה נמוך).
  • מדי גובה במלט"ים.
  • חיישני קירבה. (בפגזים ובטילים).
  • מעקב בזמן אמת אחר פגזי ארטילריה.[35][5]
  • אנטנות מכ"ם FMCW מדגם Clam Shell סובייטי. בצילום נראים אנטנות שידור וקליטה נפרדות וביניהם משטח מתכתי לשיפור בידוד האנטנות ומניעת זליגת אות השידור לערוץ הקליטה[6]
    אנטנות מכ"ם FMCW מדגם Clam Shell סובייטי. בצילום נראים אנטנות שידור וקליטה נפרדות וביניהם משטח מתכתי לשיפור בידוד האנטנות ומניעת זליגת אות השידור לערוץ הקליטה[6]
  • מכ"ם CW לרכישת מטרות בסוללת טילי הוק (MIM-23 Hawk), דור שני.
    מכ"ם CW לרכישת מטרות בסוללת טילי הוק (MIM-23 Hawk), דור שני.
  • מכ"ם סובייטי P37 המכונה Bar Lock. בגלל ממדיו, ניתן היה להרחיק את שתי האנטנות אחת מהשנייה, התקנה שמשפרת את הבידוד בין האנטנות ובכך את ביצועי המכ"ם.
    מכ"ם סובייטי P37 המכונה Bar Lock. בגלל ממדיו, ניתן היה להרחיק את שתי האנטנות אחת מהשנייה, התקנה שמשפרת את הבידוד בין האנטנות ובכך את ביצועי המכ"ם.

שימושים אזרחיים

  • מכ"ם מזג אויר.[36][2][37]
  • בענפי ספורט ישנם יישומים רבים: מדידת מהירות המכוניות במרוצי מכוניות, אמצעי מדידת מהירות הכדור בגולף, כדורגל, כדוריד, טניס, בייסבול וכיוצ"ב כמו גם בספורט חורף מדידת מהירות במסלולי מזחלות, בקפיצות סקי או בסקי במורד.[7][38][6]
  • מכ"ם משטרתי למדידת מהירות כלי רכב., לדוגמה ה"דבורה".[39]
  • מכ"ם לבקרת תעופה אווירית, בשדות תעופה וכו'.[6]
  • מכ"ם FMCW מוטס למדידת עובי השלג.[40]
  • מכ"ם לכלי רכב.[7][41]
  • מיכליות נפט.[7]
  • חיישני אבטחה במתקנים חשובים.[7][6]
  • שימוש במכ"מי FMCW לצורכי רפואה נמצאים בתהליכי פיתוח והוכחה.[42][43]
  • שימושים ביישומים חודרי קיר וכמכ"ם חודר קרקע (GPR-Ground Penetrating Radar).[43]
  • מכ"ם FMCW בתדר גבוה משמש גם לבדיקת פגמים במוצרים ארוזים.[44]
  • מכ"ם CW לבקרת תעופה אווירית בגרמניה.
    מכ"ם CW לבקרת תעופה אווירית בגרמניה.
  • מכ"ם FMCW למדידת מרחק בתדר 61 גה"צ.
    מכ"ם FMCW למדידת מרחק בתדר 61 גה"צ.
  • שוטר צבאי בשימוש באקדח מכ"ם CW למדידת מהירות מכוניות
    שוטר צבאי בשימוש באקדח מכ"ם CW למדידת מהירות מכוניות

ראו גם

לקריאה נוספת

  • Introduction to RADAR Systems, Merrill I. Skolnik
  • Instruments of Darkness The History of Electronic Warfare, 1939–1945, Alfred Price,

קישורים חיצוניים

ביאורים

  1. ↑ כאשר נאמר "גל רציף" הכוונה היא לגל רציף על ציר הזמן, כלומר שאיננו מאופנן על ציר הזמן.
  2. ↑ יש עדיפות לאנטנת קליטה שהיא נפרדת מאנטנת השידור, מאחר שהשידור והקליטה מתבצעים בו זמנית ברציפות, שימוש באנטנות נפרדות מאפשר להשיג רגישות קליטה טובה יותר כי זליגת אות השידור לערוץ הקליטה מגדיל את הרעש בערוץ הקליטה.
  3. ↑ כאמור, מכ"ם CW משדר ברציפות, כלומר ערוץ השידור פועל 100% מהזמן. מאחר שלמשדר יש נצילות מוגבלת, חלק משמעותי מההספק מתפזר בצורת חום. בהספקים גבוהים, עלול ערוץ השידור להגיע לטמפרטורות שיגרמו למערכת לנזק, לכן נידרש להגביל את הספק השידור לרמה שמאפשרת לפזר את החום הנפלט מהמשדר מבלי שהטמפרטורה שלו תגיע לרמה המסוכנת. מצב זה מחמיר במקרים בהם נידרש הספק שידור גבוה, במקרים אלו אלמנט השידור היא שפורפרת בדרך כלל, עם התחממות גבוהה ויכולת פיזור חום מוגבלת. במכ"ם פולסים אין הגבלה כזו מאחר שהוא משדר רק אחוז קטן מהזמן, לכן ההספק הממוצע (זהו ההספק הגורם לחימום המשדר) הינו קטן גם אם הספק השיא של הפולס גדול.

הערות שוליים

  1. ^ 1.0 1.1 Continuous Wave Radar, man.fas.org
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 What is Doppler radar?, FreightWaves, ‏2021-05-05 (באנגלית אמריקאית)
  3. ↑ RadarTutorial.EU, Continuous Wave Radar, Radar Basics
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 Louis N. Ridenour, RADAR Sytem Engineering, University of Pennsylvania: MxGraw-Hill, 1947, עמ' 13,3,14,15,127-159, 123,125, 629
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 David G. C. Luck, Frequency Modulated Radar, published by, New York: McGraw-Hill, 1949, עמ' 3, 4, 6, 10, 77-84' 185-273
  6. ^ 6.00 6.01 6.02 6.03 6.04 6.05 6.06 6.07 6.08 6.09 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16 Merrill I. Skolnik, INTRODUCTION TO RADAR SYSTEMS, McGRAW-HILL, 1981, עמ' 2, 5, 8-12, 68-98
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 What is a FMCW Radar? - everything RF, www.everythingrf.com
  8. ^ 8.0 8.1 What is a FMCW Radar? - everything RF, www.everythingrf.com
  9. ^ 9.0 9.1 Improved forms of radar., www.st-andrews.ac.uk
  10. ↑ Sivers IMA AB, Frequency Modulated Continuous Wave Radar, SiversIMA.com
  11. ^ 11.0 11.1 11.2 FMCW radar sensor: How it works. FMCW, CW & pulse radar, OndoSense (באנגלית אמריקאית)
  12. ^ 12.0 12.1 12.2 Dipl.-Ing. (FH) Christian Wolff, Radartutorial, www.radartutorial.eu (באנגלית)
  13. ^ 13.0 13.1 Continuous Wave Radar, man.fas.org
  14. ^ 14.0 14.1 Dipl.-Ing. (FH) Christian Wolff, Radartutorial, www.radartutorial.eu (באנגלית)
  15. ↑ Daniel Seyfried, Joerg Schoebel, Stepped-frequency radar signal processing, Journal of Applied Geophysics 112, 2015-01-01, עמ' 42–51 doi: 10.1016/j.jappgeo.2014.11.003
  16. ↑ Mervin C. Budge, Shawn R. German, 1.2, 1.6, 10.4.1, Basic radar analysis, Boston London: Artech House, 2015, Artech house radar series, מסת"ב 978-1-60807-878-3
  17. ↑ Continuous Wave (CW) Doppler radar architecture
  18. ↑ Edward Victor Appleton, M. a. F. Barnett, On some direct evidence for downward atmospheric reflection of electric rays, Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character 109, 1997-01, עמ' 621–641 doi: 10.1098/rspa.1925.0149
  19. ↑ Lloyd Espenschied, R. C. Newhouse, A terrain clearance indicator, The Bell System Technical Journal 18, 1939-01, עמ' 222–234 doi: 10.1002/j.1538-7305.1939.tb00813.x
  20. ↑ אנטוני ביוור, מלחמת העולם השניה, תל-אביב: ידיעות אחרונות, 2014
  21. ↑ יואב זיתון, "ממש כמו לגו". כך נבנה מכ"ם הענק הישראלי, באתר ynet, 8 בנובמבר 2015
  22. ↑ מנחם דויטש, הצצה נדירה ל"אלתא" - אחד המפעלים הסודיים והמוצלחים בעולם השוכן בתוככי אשדוד • בלעדי ומרתק, באתר חרדים אשדוד, ‏2023-04-09
  23. ↑ Techtime, תע"א חשפה את הצוללת האוטונומית BlueWhale, באתר Techtime - חדשות אלקטרוניקה והייטק, ‏2023-05-05
  24. ↑ מכ"ם להגנת גבולות, באתר www.iai.co.il
  25. ↑ Dipl.-Ing. (FH) Christian Wolff, ELM-2226 - Radartutorial, www.radartutorial.eu (באנגלית)
  26. ↑ Multi-Mission Situational Awareness, www.iai.co.il
  27. ↑ Carlo Kopp, Active and Semi-Active Radar Missile Guidance, Australian Aviation 1982, 1982-06-01
  28. ↑ Chapter 15 Guidance and Control, man.fas.org
  29. ↑ The Russian Philosophy of Beyond Visual Range Air Combat, www.ausairpower.net
  30. ↑ Dan Petty, The US Navy -- Fact File: Standard Missile, www.navy.mil (באנגלית) (ארכיון)
  31. ↑ 76N6 Clam Shell Acquisition Radar, www.ausairpower.net
  32. ↑ P-37 “Bar Lock”
  33. ↑ P-37, www.hmarzenal.hu
  34. ↑ Reptár - Szolnoki repülőmúzeum (בהונגרית)
  35. ↑ CW Doppler, BAE
  36. ↑ Merrill Ivan Skolnik, 1.5, 9.20, Radar handbook, 3rd ed, New York: McGraw-Hill, 2008, מסת"ב 978-0-07-148547-0
  37. ↑ L.P. Ligthart, L.R. Nieuwkerk, An X-band solid-state FM-CW weather radar, IEE Proceedings F (Radar and Signal Processing) 137, 1990-12, עמ' 418–426 doi: 10.1049/ip-f-2.1990.0061
  38. ↑ Wayback Machine, www.eurotronic.org
  39. ↑ תומר הדר, משטרת התנועה משתדרגת: אקדח לייזר שגם מצלם נהגים, באתר כלכליסט, 24 בינואר 2024
  40. ↑ Shriniwas Kolpuke, Christopher D. Simpson, Feras Abushakra, Abhishek K. Awasthi, Omid Reyhanigalangashi, Jacob Pierce, Tuan Luong, Jordan Larson, Drew Taylor, David Braaten, S. Prasad Gogineni, Airborne UWB FMCW Radar for Snow Depth Measurements, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 60, 2022, עמ' 1–15 doi: 10.1109/TGRS.2022.3223989
  41. ↑ Radar glossary: Radar sensor knowledge, basics & definitions, OndoSense (באנגלית אמריקאית)
  42. ↑ Olaf Dössel, Wolfgang C. Schlegel, World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering September 7 - 12, 2009 Munich, Germany: Vol. 25/VII Diagnostic and Therapeutic Instrumentation, Clinical Engineering, Springer Science & Business Media, 2010-01-04, מסת"ב 978-3-642-03885-3. (באנגלית)
  43. ^ 43.0 43.1 David J. Daniels, EM Detection of Concealed Targets, John Wiley & Sons, 2009-11-25, מסת"ב 978-0-470-53981-1. (באנגלית)
  44. ↑ Multifunctional RF - and Radar-Systems, fraunhofer

מכ"ם גל רציף42257486Q1029234

אוחזר מתוך "https://he.hamichlol.org.il/w/index.php?title=מכ%22ם_גל_רציף&oldid=3584819"