מכ"ם

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

הדף "מכם" מפנה לכאן. לערך העוסק במקאם במוזיקה הערבית, ראו מקאם.

מכ"ם (מגלה כיוון ומרחק), או ראדאר (Radar - radio detection and ranging), הוא מערכת אלקטרונית לגילוי מיקום של עצמים כגון מטוסים או ספינות, וכן למיפוי והשגת מידע על שטח או נפח.

המכ"ם מורכב ממשדר וממקלט. המשדר משדר אלומה של קרינה אלקטרומגנטית (גלי רדיו), מאנטנה. עצם המצוי בתחום אלומת השידור בו פוגעת הקרינה מפזר חלק ממנה במרחב. שבריר מהקרינה המפוזרת על ידי העצם מוחזר באופן זה אל הכיוון ממנו שודר. המקלט עוקב אחר אותות קרינה החוזרים מן המרחב שמאפייניהם תואמים למאפייני האותות ששודרו. קליטה סדירה של אותות חוזרים מעידה על הימצאות עצם או עצמים במרחב. עיבוד וניתוח האותות החוזרים מאפשר לחשב את כיווניהם, מרחקיהם ומהירות תנועתם של עצמים כאלה, ואף לשער את נפחם. לדוגמה, פרק הזמן החולף מרגע שידור אות לרגע קליטת הד הקרינה החוזר מאפשר לחשב את מרחקו של העצם ממקום השידור. הכיוון ממנו נקלט הד הקרינה מעיד על כיוון הימצאותו של הגוף. שינוי מרגע לרגע במרחקו המחושב של הגוף מעיד על מהירות הגוף והאם הוא מתרחק או מתקרב לעבר המכ"ם. דרך אחרת לחישוב מהירות הגוף עושה שימוש במדידת הסחת התדר של הקרינה החוזרת מן הגוף ביחס לתדר בו שודרה - אפקט דופלר. עוצמת האות החוזר בהשוואה למרחקו של הגוף מאפשרת לקבל מושג על כמות החומר המתכתי שהעצם מכיל. המכ"ם יכול להיות מותקן על גבי הקרקע, על כלי רכב, בים (על כלי שיט), באוויר (על כלי טיס, על טיל) ואף בחלל. בדרך כלל מצויד המכ"ם במסך המאפשר הצגת העצמים שזוהו כנקודות שמיקומן על המסך אנלוגי למיקומם במרחב של העצמים המיוצגים על ידן. באמצעות תצוגה כזו יכול המוכ"ם (אדם האחראי על המעקב אחר המידע המתקבל מן המכ"ם) לעקוב אחר הנעשה במרחב, לשים לב לשינויים בזמן התרחשותם ולבחור להתמקד בנתוניו המדויקים של כל עצם בהתאם לצורך.

קיימים סוגים שונים של מערכות מכ"ם, לשימושים שונים. לעתים השימושים מכתיבים את הטכנולוגיה.

תוכן עניינים 1 היסטוריה 2 עקרונות פעולה 2.1 החזרה 2.2 משוואת פעולה 2.3 פרמטרים אלקטרוניים אופיניים למכ"ם 3 מבנה עקרוני 3.1 משדר 3.2 אנטנה 3.3 מקלט 3.4 תדרים אפשריים 4 סוגי מכ"מים 5 תפקידי מכ"ם 5.1 מכ"ם התראה/גילוי/בקרה אווירית 5.2 מכ"ם מוטס 5.3 מכ"ם ימי 5.4 מכ"ם בקרת אש 5.5 מכ"ם בקרת שטח 5.6 מכ"ם SAR 5.7 מכ"ם Through The Wall 6 התמודדות מול פעולת המכ"ם 7 יצרני מערכות מכ"ם 8 ראו גם 9 קישורים חיצוניים 10 ספרים לעיון

[עריכה] היסטוריה

כבר ב־1904 הדגים הממציא כריסטיאן האולסמייר (Christian Huelsmeyer) כיצד אפשר להעזר בגלי רדיו כדי לאתר ספינות. הוא אף הוציא פטנט על מכ"ם פרימטיבי, שיכל לגלות נוכחות של ספינות בטווח 3 ק"מ (ומאוחר יותר 10 ק"מ) אך עקב חוסר עניין מצד מפקדי הציים בעולם, המצאתו מעולם לא נכנסה לייצור.

באוגוסט 1917 ניסח הפיזיקאי ניקולה טסלה את העקרונות התאורטים של המכ"ם והציע את השימוש בגלים אלקטרומגנטיים על מנת לגלות את תנועתם של עצמים רחוקים. טסלה גם הציע שיטות למדידת מהירות באמצעות מכ"ם. טסלה אף המליץ על המכ"ם כמכשיר לגילוי צוללות ובכך חזה במידה רבה את הסונאר האקטיבי.

ב־1922 החלו מעבדות המחקר של הצי האמריקאי בפיתוח מכ"ם. ב־1930 הצליח ל.א. איילנד לגלות מטוס באמצעות מכ"ם התאבכות גל־רציף. ב־1934 ו־1935 התבצעו ניסויים במכ"ם פעימות.

ב־12 בפברואר 1935 שלח רוברט ווטסון-וואט למשרד האוויריה הבריטי מזכר בנוגע ל"גילוי ואיתור מטוסים באמצעות רדיו" ("Detection and location of aircraft by radio methods") אחרי ניסיון שצבר בתחום בהיותו מטאורולוג וחובב רדיו. ב-26 בפברואר הדגים וואט בפני ועדה את המצאתו ואיתר באמצעותה מפציץ בטווח 8 מייל. הדגמה זו, שכונתה The Daventry Experiment, הובילה לפיתוח מכ"ם מבצעי בבריטניה ופרישתו להגנת החופים בזמן מלחמת העולם השנייה.

המכ"ם נכנס לשימוש מבצעי נרחב במהלך מלחמת העולם השנייה על ידי הבריטים. יש הסוברים שהשימוש שעשו בעלות הברית במכ"ם תרם תרומה משמעותית לעמידת בריטניה ולהבסת הלופטוואפה.

[עריכה] עקרונות פעולה

[עריכה] החזרה

גלים אלקטרומגנטיים מוחזרים (מתפזרים) בשל כל שינוי חריף בקבועים הדיאלקטריים או הדיאמגנטיים.

[עריכה] משוואת פעולה

כמות ההספק P_r המוחזרת מהאנטנה הקולטת מבוטאת באמצעות המשוואה :

כאשר:

• P_t = הספק המשדר
• G_t = הגבר האנטנה המשדרת
• A_r = מפתח אנטנה (שטח)
• σ = שטח חתך מכ"ם, או מקדם הפיזור של המטרה

• F = pattern propagation factor
• R_t = מרחק מהמשדר למטרה
• R_r = מרחק מהמטרה למקלט.

במקרה הנפוץ שבו המשדר והמקלט נמצאים באותו מיקום R_t = R_r והגורם R_t² R_r² יכולים להיות מוחלפים על ידי R⁴, כאשר R הוא הטווח.

הצבה נותנת את הביטוי :

זה מראה שההספק הנקלט קטן כלומר ההספק המוחזר מהמטרה המרוחקת קטן ביותר. המשוואה לעיל כאשר F = 1 היא הפשטת המודל למקרה של ריק ללא הפרעות. מקדם החלחול אחראי לתופעות המסלול המרובה ומיסוך ותלוי במאפיייני הסביבה. בעולם האמיתי, הפסדי מסלול צריכים להלקח בחשבון גם כן.

פיתוחים מתמטיים אחרים בעיבוד אותות של מכ"ם כוללים ניתוח זמן-תדר וכן את התמרת צ'ירפלט שעושה שימוש בעובדה שהמכ"ם מחזיר "chirp" (שינוי בתדר כפונקציה של הזמן).

[עריכה] פרמטרים אלקטרוניים אופיניים למכ"ם

מלבד התדר, למכ"ם מספר פרמטרים אלקטרוניים נוספים:

• PRI - ראשי תיבות של Pulse Repetition Interval. מצביע על המרווח בין כל פולס שידור של המכ"ם (בדרך כלל נמדד במיקרו-שניות).
• PW - ראשי תיבות של Pulse Width. מצביע על אורכו של כל פולס שידור של המכ"ם (בדרך כלל נמדד במיקרו-שניות).
• קיטוב - מצביע על קיטוב השידור של המכ"ם (אופקי, אנכי, סיבובי).

[עריכה] מבנה עקרוני

כל מערכת מכ"ם כוללת לפחות רכיבים אלו:

• משדר - תפקידו לשדר את אות המוצא של המכ"ם. על המשדר להיות בעל עוצמה גבוהה, מכיוון שהאות מונחת במעברו באטמוספירה.
• אנטנה - תפקידה להוציא את האות המשודר מהמשדר לאוויר (לתאם אימפדנסים). במקרים רבים תפקיד האנטנה הוא גם ליצור אלומה דקה של אנרגית רדיו.
• מקלט - תפקידו לקלוט את ההחזרים. המקלט צריך להיות שקט (דל רחש) ולהיות בעל הגבר גדול.

[עריכה] משדר

דרישות מרכזיות:

• עוצמת שידור: מכיוון שהאות המשודר אמור להקלט לאחר "מסע" ארוך באטמוספירה, ולאחר חזרת רק חלק קטן ממנו מהעצם אותו רוצים לגלות, המוצא חייב להיות חזק. עוצמת השידור הנה פרמטר חשוב בקביעת טווח הגילוי של החיישן. עוצמות השידור הן סביב 30Kw.
• שמירת פאזה: לצורכי עיבוד מסוימים האות המשודר חייב להיות בפאזה.
• אות שידור בעל צורה מוגדרת.

מכיוון שבניית משדר שעונה על הדרישות וגם בעל הספק רב הנה קשה, ברוב מערכות המכ"ם משתמשים במשדר חלש ואחריו מגבר חזק.

סוגי משדרים עיקריים למכ"ם:

• משדר+מגבר שפופרת: קיימים מספר סוגים של משדרים המבוססים על שפופרת רדיו. את השפופרת מזינים במתח גבוה ואות חלש (ממתנד גביש). השפופרות הנם התקנים גדולים (בעייתי במכ"ם מוטס) ובעלי נצילות נמוכה.
• משדרי מצב מוצק: טרנזיסטורים שמסוגלים לשדר בתדרי רדיו. בעלי הספק נמוך אך נצילות טובה. בדרך כלל מחברים מספר רב של משדרי מצב מוצק ביחד על מנת ליצור את ההספק הדרוש.

[עריכה] אנטנה

תפקיד האנטנה הוא לקשר בין המשדר לאוויר כך שמירב אנרגית הרדיו תעבור לאוויר. בנוסף האנטנה מעצבת את אלומת אנרגית הרדיו ובכך מגבירה את יעילות המכ"ם. רוב המכ"מים קובעים את הכיוון למטרה על פי כיוון האלומה, לכן חשוב לייצר אלומות צרות.
קיימים שני סוגי אנטנות למכ"ם: אנטנה פסיבית ואנטנה פעילה (phase array).

באנטנה פסיבית ("רגילה") מבנה האנטנה מכתיב את הצורה של אלומת המכ"ם. הסריקה מבוצעת באמצעים מכאניים (סיבוב האנטנה). כיוון האנטנה מצביע על כיון המטרה. יצירת אלומות צרות באמצעות אנטנה פסיבית דורשת אנטנה בעלת ממדים גדולים (יחסית לאורך הגל).

אנטנה אקטיבית משתמשת בעקרון הסחת הפאזה על מנת לייצר אלומות צרות. באנטנה אקטיבית ניתן לשנות את כיון האלומה באופן אלקטרוני, ולכן לא חייבים לסובב את האנטנה כדי ליצור סריקה של 120 מעלות. אנטנות אקטיביות יכולות להיות קטנות ועדיין להיות מסוגלות לייצר אלומות דקות. אנטנות אקטיביות נמצאות בשימוש נרחב במכמי"ם מוטסים. אנטנות אקטיביות קשות לבניה ויקרות במידה משמעותית מאנטנות פסיביות.

[עריכה] מקלט

תפקידו לקלוט את ההד המוחזר מהמטרה. המקלט מפענח את האות הנקלט, קובע את מרחקו מהמכ"ם (בעזרת חישוב זמנים). על המקלט להיות מסוגל לקלוט אותות חלשים מאוד, וכן עליו להיות דל רחש. חשיבות מיוחדת יש לדרגת ההגברה הראשונה, מגבר קדם שצריך להיות בעל יחס אות לרעש גבוה וכן עם הגבר גבוה. רעשים מיותרים במקלט עלולים לגרום להתראות שווא.

ברוב המכ"מים בנויה גם מערכת עיבוד אות מבוססת מחשב.

[עריכה] תדרים אפשריים

מקור השמות של התדרים בשמות קוד שנתנו להם במלחמת העולם השנייה. השמות אומצו בארצות הברית על ידי ארגון ה IEEE, ועל ידי ה ITU. לרוב המדינות יש תקנות נוספות לשליטה בתדרים שיוקצו לשימוש אזרחי ולשימוש צבאי.

Radar frequency bands

סוג הסרט	טווח התדר	טווח אורך הגל	הערות
HF	3-30 MHz	10-100 m	מערכות מכ"ם חופים, over-the-horizon (OTH) radars; 'high frequency'
P	< 300 MHz	1 m+	'P' for 'previous', applied retrospectively to early radar systems
VHF	50-330 MHz	0.9-6 m	very long range, ground penetrating; 'very high frequency'
UHF	300-1000 MHz	0.3-1 m	very long range (e.g. ballistic missile early warning), ground penetrating, foliage penetrating; 'ultra high frequency'
L	1-2 GHz	15-30 cm	long range air traffic control and surveillance; 'L' for 'long'
S	2-4 GHz	7.5-15 cm	בקרה אווירית,חיזוי מזג אוויר ארוך טווח,מכ"ם ימי , ; 'S' for 'short'
C	4-8 GHz	3.75-7.5 cm	Satellite transponders; a compromise (hence 'C') between X and S bands; weather
X	8-12 GHz	2.5-3.75 cm	missile guidance, marine radar, weather, medium-resolution mapping and ground surveillance; in the USA the narrow range 10.525 GHz ±25 MHz is used for airport radar. Named X band because the frequency was a secret during WW2.
Ku	12-18 GHz	1.67-2.5 cm	high-resolution mapping, satellite altimetry; frequency just under K band (hence 'u')
K	18-27 GHz	1.11-1.67 cm	from German kurz, meaning 'short'; limited use due to absorption by water vapour, so Ku and Ka were used instead for surveillance. K-band is used for detecting clouds by meteorologists, and by police for detecting speeding motorists. K-band radar guns operate at 24.150 ± 0.100 GHz.
Ka	27-40 GHz	0.75-1.11 cm	mapping, short range, airport surveillance; frequency just above K band (hence 'a') Photo radar, used to trigger cameras which take pictures of license plates of cars running red lights, operates at 34.300 ± 0.100 GHz.
mm	40-300 GHz	7.5 mm - 1 mm	millimetre band, subdivided as below. The letter designators appear to be random, and the frequency ranges dependent on waveguide size. Multiple letters are assigned to these bands by different groups. These are from Baytron, a now defunct company that made test equipment.
Q	40-60 GHz	7.5 mm - 5 mm	תקשורת צבאית.
V	50-75 GHz	6.0 - 4 mm	ספיגה משמעותית באטמוספירה.
E	60-90 GHz	6.0 - 3.33 mm
W	75-110 GHz	2.7 - 4.0 mm	used as a visual sensor for experimental autonomous vehicles, high-resolution meteorological observation, and imaging.

[עריכה] סוגי מכ"מים

ניתן לחלק מכ"מים למספר סוגים לפי אופי הפעולה:

• מכ"ם פעימות (פולסים) - המכ"ם משדר אנרגית רדיו בפולסים קצרים בזמן ואחר כך מחכה לקבלת ההד החוזר מן המטרה. בזמן שידור המקלט חסום לקליטה, לכן למכ"ם כזה יש "טווח מת" שבו הוא לא יכול לגלות מטרה. מיקום המטרה נמדד לפי כיוון האנטנה ומרחקה לפי מדידת זמנים. זהו סוג המכ"ם הנפוץ.
• מכ"ם גל-רציף "Continuous Wave" (נקרא בקיצור CW) - מכ"ם מסוג CW משדר תמיד, השידור מתבצע בתדר משתנה (מבצעים מעין פולסים של תדר), וכך ניתן למדוד טווח. מכמ"י CW דורשים שימוש בשתי אנטנות (אחת לשידור והשנייה לקליטה) אין לו טווח מת. יותר קל לבצע עיבוד דופלר במכ"ם CW.

רוב המכ"מים המודרניים מבצעים עיבוד דופלר. בעזרת עיבוד זה ניתן לגלות גם את המהירות (בכיוון המכ"ם) של המטרה. לצורך עיבוד דופלר נדרש לאסוף כמה פולסים, ונדרש שבין הפולסים הפאזה תישמר.

[עריכה] תפקידי מכ"ם

[עריכה] מכ"ם התראה/גילוי/בקרה אווירית

תפקיד מכ"ם זה לגלות מטוסים במרחב אווירי נתון. מכ"ם כזה יהיה תמיד מכ"ם שסורק את כל המרחב (בדרך כלל בעל אנטנה מסתובבת). מכ"מי גילוי ובקרה אווירית קיימים בכל שדות התעופה על מנת לספק יכולת בקרה אווירית למטוסים הנוחתים והממריאים מהשדה.
מכ"מי התראה בדרך כלל בעלי אנרגיה גבוהה וטווח גדול, משמשים להתראה מפני חדירה אווירית למרחב.

[עריכה] מכ"ם מוטס

מכ"ם שמורכב על כלי-טיס. קיים ברוב מטוסי הקרב, ובנוסף במטוסי נוסעים חדישים. שונה מאוד ממכ"ם קרקעי באופי העבודה ובאילוצים טכניים (משקל קטן, הספק נמוך).
במטוסי הנוסעים המכ"ם מספק נתוני מזג אוויר (עננות, גשמים) ואף בחלקם מיפוי בסיסי של הקרקע. במטוסי הקרב המכ"ם מספק אמצעי בקרת אש לטילי אוויר-אוויר כשהוא במצב עקיבה.

חלק מהמכ"מים המוטסים משתמשים באנטנות קבועות ובטכנולוגיה של הסחת פאזה באנטנה על מנת ליצור אלומה.

[עריכה] מכ"ם ימי

מותקן באוניות, משמש לגילוי אוניות ולהתרעת התנגשות. אופן פעולתו דומה לפעולת מכ"ם אווירי, אבל בגלל האופי השונה של הים (רעשים שונים) נדרש תכן מיוחד למכ"ם ימי.

[עריכה] מכ"ם בקרת אש

משמש אמצעי בקרה לטילי אוויר-אוויר או טילי קרקע-אוויר (טק"א), על מנת להנחות את הטיל לפגיעה. הדרישות ממכ"ם זה שונות, ביניהן דיוק גבוהה וקצב דגימה גבוהה של המטרה. רוב מכמ"י בקרת אש משתמשים באנטנות הסחת פאזה, ובאלגורתימים מתוחכמים של עקיבה אחר מטרות על מנת לייעל את עבודתם.

[עריכה] מכ"ם בקרת שטח

משמש אמצעי לזיהוי עצמים בתנועה. המכ"ם מזהה תנועה לפי הסטת דופלר של העצמים. מכ"ם זה אינו מדויק בתנאי מזג אוויר קשים עקב עיוותים של הגשם וכן תנועת צמחים ברוח חזקה. בישראל מכ"ם מסוג זה משמש את הצבא לגילוי תנועת אנשים ורכב בגבולות המדינה.

[עריכה] מכ"ם SAR

מכ"ם SAR - Synthetic Aperture Radar הנו מכ"ם אווירי המשתמש באנטנה סינתטית לצורך יצירת תמונה של פני הקרקע בכל מזג אוויר. המכ"ם משתמש בתנועת המטוס על מנת לייצר אנטנה סינתטית מההדים שחוזרים לאורך מסלול הטיסה. המכ"ם משתמש באינטרפרומטרית רדיו על מנת לשרטט תמונה ברזולוציה גבוהה של פני השטח, ללא תלות במזג האוויר.

[עריכה] מכ"ם Through The Wall

מכ"ם לטווחים קצרים (מטרים בודדים) המשמש לחדירה של מכשולים דוגמת קירות והריסות מבנים. מכ"ם כזה מאפשר לתת אינפורמציה דו ממדית ואף תלת ממדית של האובייקטים הנמצאים מאחורי המכשול. המכ"ם משתמש בתדרים גבוהים לרוב בין מאות מגה-הרצים למספר אלפים. בישראל פותח מכ"ם כזה למטרות צבאיות ולחילוץ והצלה על ידי חברת קמרו-טק.

[עריכה] התמודדות מול פעולת המכ"ם

המכ"ם מהווה איום רב על מטוסי קרב, סיור, או ריגול, היוצאים למשימה בשטח המנוטר על ידו. זאת משום שהוא מאפשר לצד המותקף לקבל התראה מוקדמת על פלישה לתחומו האווירי, להתגונן מפניה ולנסות לסכל אותה. חשיבות מיוחדת יש למכ"ם המשמש להנחיית טילי קרקע-אוויר ליירוט המטוסים התוקפים. במשך השנים פותחו שיטות שונות להתראה מפני פעילות מכ"ם ולשיבוש פעולתם של מכשירי מכ"ם:

• לוחמה אלקטרונית: זו כוללת התגוננות סבילה והתגוננות פעילה. התגוננות סבילה כוללת קליטה וניתוח של שידורי מכ"ם באמצעות מיכשור מיוחד הנמצא על סיפון המטוס הפולש, לצורך הצגתם של איומי המכ"ם הפעילים בשטח בפני צוות המטוס. התגוננות פעילה כוללת שיבוש יכולת החישוב של המכ"ם באמצעות שידור יזום של אותות הטעייה אלקטרוניים מסוג אלה שמכשיר המכ"ם משדר וקולט, והמונעים ממנו להבחין בין האותות שהוא עצמו שידר לבין אותות ההטעיה.
• הטעיה פיזית: פיזור מוץ מתכתי באוויר גורם למכשיר המכ"ם לטעות ולזהות את המוץ כמטרה.
• תקיפה: הכוח התוקף משגר פצצות המתבייתות על אותות המכ"ם, ובכך מביא להשמדתה של תחנת המכ"ם או להפסקת פעולתה מחשש שתתגלה.
• הקטנת חתימת המכ"ם של המטוס: תכנון מטוסים בעלי ארכיטקטורת מבנה וחומר המקשים על גילויים באמצעות מכשירי מכ"ם. מטוסים מסוג זה, כגון F-117, שפותחו על ידי ארצות הברית, קרויים "חמקנים".

[עריכה] יצרני מערכות מכ"ם

• ישראל
  • חברת אלתא מערכות - חברה בת של התעשייה האווירית לישראל.
  • חברת קמרו-טק - יצרנית של מכ"ם חודר קירות לחילוץ והצלה
  • חברת אורביט טכנולוגיות מתקדמות
• ארצות הברית
  • חברת Raytheon
  • חברת Northrop Grumman
  • חברת Lockheed Martin
  • חברת Telephonics
  • חברת General Atomics
  • חברת Thales Raytheon Systems
• אירופה
  • חברת EADS - גרמניה , צרפת , ספרד
  • חברת BAE Systems - אנגליה
  • חברת Thales Group - צרפת
  • חברת Finmeccanica - איטליה
  • חברת Ericsson - שבדיה
  • חברת Terma - דנמרק
• יפן
  • חברת Decca
  • חברת Foruno

[עריכה] ראו גם

• לוחמה אלקטרונית
• IRST (מערכת חיפוש ועקיבה תת-אדום) - מערכת לגילוי ועקיבה אחר עצמים הפולטים קרינת תת-אדום כגון מטוסי סילון ומסוקים.

[עריכה] קישורים חיצוניים

• המכ"ם הימי, באתר "שער לים"
• תנועה יחסית, באתר "שער לים"
• מכ"ם טכנולוגיה (Radar Principles)

[עריכה] ספרים לעיון

Radar Handbook, Merrill I. Skolnik, McGRAW-HILL BOOK COMPANY, 1970

PRINCIPLES of HIGH-RESOLUTION RADAR, August W. Rihaczek, 1969