מכ"ם

מכ"ם גילוי (גרסה ישנה) של סוללת טילי קרקע אוויר מסוג הוק.

מגדל מכ"ם בנמל התעופה של פרנקפורט

מבט מאחור על המכ"ם הרוסי המתקדם וורונז'-M‏ (Воронеж-М)

מכ"ם (ראשי תיבות של "מגלה כיוון ומרחק"), או רדאר (באנגלית: RADAR ראשי תיבות של: RAdio Detection And Ranging), הוא מערכת אלקטרונית לגילוי מיקום (איכון) 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 המוכם (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. לעיתים השימושים מכתיבים את הטכנולוגיה.

היסטוריה

כבר ב־1904 הדגים הממציא כריסטיאן האולסמייר (Christian Huelsmeyer) כיצד אפשר להיעזר בגלי רדיו כדי לאתר ספינות. הוא אף הוציא פטנט על מכ"ם פרימיטיבי, שיכול 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 התאורטיים 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 צי ארצות הברית בפיתוח מכ"ם. ב־1930 הצליח ל.א. איילנד לגלות מטוס באמצעות מכ"ם התאבכות גל רציף. ב־1934 וב־1935 התבצעו ניסויים במכ"ם פעימות.

ב־12 בפברואר 1935 שלח רוברט ווטסון־ואט למשרד האווירייה 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 ואט בפני ועדה את המצאתו ואיתר באמצעותה מפציץ בטווח 8 מיל. הדגמה זו, שכונתה The Daventry Experiment, הובילה לפיתוח מכ"ם מבצעי בבריטניה ופרישׂתו להגנת החופים בזמן מלחמת העולם השנייה (60 עמדות שנקראו צ'יין הום).

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. חוקרים מייחסים גם את הכרעת הקרב בין הצוללות הגרמניות לאוניות הסוחר ששטו מאנגליה לארצות הברית במהלך המלחמה להופעת מטוסים עם טווח שאיפשר לחפש את הצוללות לאורך כל הנתיבים מאנגליה לארצות הברית ומכ"מים באורך גל של כעשרה ס"מ שאיפשר גילוי מוקדם של הצוללות מבלי שלגרמנים הייתה יכולת לדעת שגילו אותם

ברית המועצות ערכה סדרת ניסויים בתחום המכ"ם החל משנת 1934 אך למרות הישגים תאורטיים ומספר מערכות שנבנו בסמוך לפריצת מלחמת העולם השנייה לא הייתה בידי הצבא האדום מערכת מכ"ם ראויה לשמה. המערכת המבצעית הראשונה הייתה RUS-1, ממנה נבנו 45 יחידות שלא הוכיחו עצמן במהלך המלחמה. רק בשנת 1945, לאחר כניעת גרמניה הנאצית, הכניס הצבא האדום לשירות את מערכת P-3 - מכ"ם גילוי אווירי המבצעי הראשון.

לקראת תום המלחמה, בשנת 1945, פורסם דבר קיומו של המכ"ם ברבים.

עקרונות פעולה

החזרה

בוהק מציין את מידת ההחזרה מעצמים כפי שניתן להתרשם מתמונת מכ"ם מזג האוויר שצולמה ב־1960. התדר של המכ"ם, אופי הפולס, והאנטנה קובעים באילו עצמים הוא יכול להבחין.

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

משוואת מכ"ם

ההספק P_r הנקלט באנטנה הקולטת מבוטא באמצעות המשוואה :

$P_{r}={{P_{t}G_{t}A_{r}\sigma F^{4}} \over {{(4\pi )}^{2}R_{t}^{2}R_{r}^{2}}}$

כאן

• P_t = הספק המשדר
• G_t = הגבר האנטנה המשדרת
• A_r = מִפְתָּח 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 :

$P_{r}={{P_{t}G_{t}A_{r}\sigma } \over {{(4\pi )}^{2}R^{4}}}$

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 במאפייני הסביבה. בעולם האמיתי, הפסדי מסלול צריכים להילקח 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 משדר "chirp" (שינוי בתדר כפונקציה של הזמן).

שימוש באפקט דופלר

משוואת הפעולה הבסיסית של המכ"ם לא מביאה בחשבון החזרי רקע. מכיוון שחוץ מהאונה הראשית של האנטנה, ישנן "אונות צד", כלומר, שידור וקליטה מתקבלים גם לאו דווקא מהכוון הראשי אליו האנטנה תוכננה - המכ"ם קולט רעשי רקע שמקורם בדרך כלל מהקרקע גם כאשר הוא "מסתכל" לכוון אחר מהקרקע באונה הראשית שלו.

כאשר המכ"ם מסתכל עם האונה הראשית לכוון הקרקע - לדוגמה, כאשר יש הרים מאחורי המטרה, או, במקרה של מכ"ם מוטס, כאשר מסתכלים "כלפי מטה - אל מתחת לאופק", מתקבל אות מאד חזק מהקרקע שבמצב עניינים רגיל, לא יאפשר לגלות את המטרה.

סינון רעשי הרקע נשען על בסיס ניתוח מטריצות טווח - דופלר. מכיוון שהקרקע בהגדרה לא זזה, אפשר לדעת מה יהיה התדר שהיא תחזיר. לדוגמה, עבור מכ"ם קרקעי, תדר ההחזר מהקרקע יהיה תדר הגל הנושא של השידור, ללא שינוי. מכיוון שכך, ניתן לשים, במישור הקליטה, מסנן תדר ש"ינחית" את האות בתדר השידור וכך, גם מטרה שנמצאת קרובה מאד לקרקע (ולכן היא תהיה בטווח דומה לטווח מהקרקע שברקע) - כן תתגלה, מכיוון שההחזר ממנה יכלול מרכיב שינוי תדר הנובע מהמהירות הרדיאלית של המטרה כלפי המקלט־משדר, על פי "אפקט דופלר".

במכ"מים מוטסים מתקדמים, נהוג לממש "חלון דגימה" במישור הטווח תדר ולהגדיר "מטרה חוקית" מצב בו בתא טווח־תדר מסוים, האנרגיה הנקלטת גבוהה בקריטריון סף מסוים, יחסית לאותו חלון ולא לכלל מטריצת הטווחים - תדרים. שיטה זו מאפשרת לשמור על "יחס גילויי אמת לגילויי שווא" קבוע - גם כאשר רעש הרקע של הקרקע משתנה. במכ"מים אלה, טווח הגילוי בהסתכלות אל מעל האופק יהיה גדול יותר מאשר טווח הגילוי כאשר המכ"ם מסתכל כלפי הקרקע - בצורה דינמית ואוטומטית, מבלי שמפעיל המכ"ם נדרש לפעולה כלשהי ותוך כדי שמירה על יחס מטרות אמת למטרות שווא קבוע.

השינוי בתדירות עקב אפקט דופלר נתון על ידי המשוואה להלן, כאשר $F_{D}$ היא תדירות דופלר, $F_{T}$ היא התדירות המשודרת $V_{R}$ היא המהירות הרדיאלית ו $C$ היא מהירות האור:

$F_{D}=2\times F_{T}\times \left({\frac {V_{R}}{C}}\right)$

מכ"ם פסיבי נתון על ידי:

$F_{D}=F_{T}\times \left({\frac {V_{R}}{C}}\right)$

רק הרכיב הרדיאלי רלוונטי. כאשר מחזיר נע בזווית ישרה ביחס לאלומה, אין לו מהירות יחסית. פלטפורמה או מזג אוויר הנעים במקביל לאלומה מייצרים אפקט דופלר מקסימלי.

שימוש באפנון תדר ושינוי המרווחים בין פולסים

חלק מהמכ"מים משתמשים בתדר גל נושא תלוי בזמן. שימוש כזה מאפשר לחלץ את נתון הטווח למטרה על ידי חקירת שינויי התדר ולאו דווקא על ידי מדידת הזמן בין שידור הפולס לקליטתו. טכניקה זו יכולה להיות יותר מדויקת למימוש פרקטי ובכל מקרה, יש לה תרומה לפתרון "רב משמעויות בטווח" - מצב הנוצר כאשר עקב מרווח בין פולסים קטן בהרבה מהטווח אל המטרה, לא ברור איך לשייך פולס נקלט מסוים, לפולס שידור מסוים.

טכניקה נוספת לפתרון "רב משמעויות בטווח" היא שימוש ב"רכבות" משתנות בזמן של מרווחים בין פולסים - בצורה שכן תאפשר לעשות שיוך בין פולס מסוים בקליטה לפולס מסוים בשידור.

הגברת הרזולוציה של המכ"ם

הרזולוציה (כושר הפרדה) של מערכת איכון כלשהי מוגדרת כמרחק המינימלי בין שתי מטרות שמעליו עדיין ניתן יהיה להבחין ביניהם. בהתייחס למערכות מכ"ם נהוג להפריד בין רזולוציה בטווח לרזולוציה זוויתית. הרזולוציה הזוויתית תלויה ברוחב הזוויתי של האלומה המשודרת וניתן להגביר אותה באמצעות הגדלת האנטנה המשדרת, בהתאם לקשר: $\theta _{B}\sim \lambda /D$. הטכנולוגיה שמאפשרת הגדלה בכמה סדרי גודל של הרזולוציה הזוויתית נקראת מכ"ם מפתח סינתטי, ונעזרת במספר רב של "תמונות" מכ"ם עוקבות כדי לבנות תמונה מרחבית ברזולוציה גבוהה מאד של תוואי הקרקע.

הרזולוציה בטווח מתייחסת להבדל המינימלי בין הטווחים של שתי מטרות שמתחתיו לא ניתן יהיה להבדיל ביניהם. בשידור בתדירות קבועה, כושר ההפרדה בטווח תלוי באורך הזמני של הפולס; זמני ההגעה של החזרים ממטרות שונות "יחפפו" במקצת בהתאם לאורך הפולס, כך שלא ניתן יהיה להפריד בין שני ההחזרים מהמטרות. תאי הרזולוציה בטווח המתקבלים בצורה הזאת יחסיים לאורך הפולס (כלומר ככל שהפולס קצר יותר, הרזולוציה טובה יותר), ומתקיים: $R=c\tau /2$. הבעיה העקרונית בקיצור אורך הפולסים היא שכדי לקבל רזולוציה טובה בטווח צריך לשדר פולסים קצרים כל כך שהאנרגיה שלהם תהיה כה זעומה שלא ניתן להבחין בין ההחזרים לרעשי הרקע (יחס האות לרעש יהיה נמוך מאוד). באמצעות שידור פולסים מאופננים, בטכניקה שנקראת דחיסת פולס, ניתן בקליטת הפולסים לדחוס את הפולסים לגודל קצר בהרבה מהגודל המשודר שלהם, וכך להגביר את כושר ההפרדה בטווח מבלי לפגוע ביחס האות לרעש. הרזולוציה בטווח המושגת בדרך זו לא תלויה בתדירות הממצעת המשודרת אלא רק ברוחב הפס B של הפולס, בהתאם לקשר: $R={\frac {c}{2B}}$.

חישובי "עקיבה" ותצוגה סינתטית

בכמעט כל המכ"מים המודרניים, מחשב המכ"ם מנסה לעשות שיוך אוטומטי בין גילויים שונים. אם לדוגמה המכ"ם סורק 60 מעלות לכל צד (סה"כ 120 מעלות), ובכל סריקה כזו מתגלה אותה מטרה בטווח של נניח 48 מייל, מחשב המכ"ם, לאחר מספר קטן של גילויים ועל בסיס שימוש באלגוריתמיקה מתאימה, "יבין" שמדובר באותה מטרה בכל גילוי כזה. במצב זה, מחשב המכ"ם יציג למפעיל TRACK עקיבה ולא את הגילוי הגולמי. TRACK עקיבה, בדרך כלל יכלול גם נתונים מחושבים ולא רק מידע גולמי - כמו למשל, מהירות המטרה, גובה המטרה, מידת התמרון שלה, כוון הטיסה שלה וכדומה.

תצוגה סינתטית הרבה יותר נוחה לקריאה על ידי המפעיל ובהתאם היא מאפשרת למצות מידע רב מאותו מכ"ם, אם כי הצגת "טרקים" בלבד, בהכרח גורמת לאבדן חלק מהמידע הגולמי.

פרמטרים אלקטרוניים אופייניים 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, מעגלי).

קיטוב

בכל קרינה אלקטרומגנטית, השדה האלקטרומגנטי ניצב לכוון ההתפשטות וכוון השדה הזה הוא הקיטוב של הגל. באות המשודר ממכ"ם הקיטוב ניתן לשליטה כדי לקבל אפקטים שונים. מכ"מים משתמשים בקיטוב אופקי, אנכי, לינארי ומעגלי כדי לגלות סוגי החזרה שונים. לדוגמה, קיטוב מעגלי משמש להפחית את השפעות ההפרעה הנוצרת כתוצאה מגשם. החזרות של קיטוב לינארי, בדרך כלל מצביע על משטחים מתכתיים. קיטוב אקראי מצביע על משטח לא אחוד כגון סלעים, אדמה ומשמשים מכ"מי ניווט.

גורמים מגבילים

נתיב וטווח האלומה

אלומת מכ"ם תנוע בקו ישר בוואקום, אולם במציאות היא מבצעת מסלול עקום באטמוספירה עקב מקדם השבירה של האוויר, מה שגורם להתרחקות "אופק המכ"ם" ולשיפור ביצועי המערכת. גם כאשר האלומה משודרת במקביל לקרקע, היא תנסוק עקב צלילת פני כדור הארץ בכוון האופק. בנוסף, האות נחלש בתווך בו הוא עובר והאלומה מתפזרת.

הטווח האפקטיבי המקסימלי של מכ"ם יכול להיות מוגבל על ידי מספר גורמים:

• קו ראיה (Line of Sight) אשר תלוי בגובה מעל פני הקרקע. ללא קו ראיה נתיב האלומה חסום.
• טווח מקסימלי אפקטיבי שנקבע על ידי תדר הישנות הפולסים. הטווח בו העמימות מתחת לערך הסף הוא המרחק אותו יכול לעבור האות לפני שמשודר האות הבא.
• רגישות המכ"ם ועצמת האות המחושבת במשוואת המכ"ם. היא כוללת משתנים כמו פרמטרים סביבתיים וגודל המטרה.

רעש

בתחום האותות האלקטרומגנטיים רעש הוא מקור פנימי של שינויים אקראיים באות אשר נוצרים על ידי רכיבים אלקטרומגנטיים.

אותות מוחזרים דועכים במהירות עם גדילת הטווח, לכן רעש מציג הגבלה משמעותית למערכת מכ"ם. רצפת הרעש והיחס אות לרעש (SNR) הם שתי מדידות של ביצועים המשפיעות על יעילות לטווח. מחזירים רחוקים מדי מייצרים אות קטן מכדי לעבור את רצפת הרעש ולכן אינם מתגלים על ידי המכ"ם. גילוי דורש אות העצמה גבוה מרצפת הרעש בלפחות היחס SNR.

רעש מופיע בתצורות אקראיות על האות המוחזר המתקבל במכ"ם. ככל שעצמת האות נמוכה יותר כך קשה יותר להבדיל אותו מהרעש. ספרת הרחש (Noise Figure) היא מדידה של הרעש המיוצר על ידי מקלט בהשוואה למקלט אידאלי, ובאופן טבעי השאיפה היא למזער אותה ככל שניתן.

רעש שוט נוצר על ידי אלקטרונים לאורך אי רציפות, אשר מאפיינת את כל המקלטים. רעש שוט הוא הרעש הדומיננטי ברוב המקלטים. במעבר אלקטרונים דרך מכשיר הגברה נוצר גם רעש פליקר, אשר מטופל על ידי הגברה הטרודינית. סיבה נוספת לעיבוד הטרודיני היא שעבור רוחב הפס נתון, רוחב הפס הרגעי עולה לינארית עם התדירות. על ידי כך מקבלים שיפור ברזולוציית הטווח. יוצא דופן בולט למערכת מכ"פ הטרודינית הוא מכ"ם תחום רחב סרט (UWB). כאן מחזור אחד או גל טרנזיאנטיבי משמש בדומה לתקשורת UWB.

רעש נוצר גם ממקורות חיצוניים, החשוב ביניהם הוא הקרינה התרמית של הרקע מסביב למטרה. במערכות מכ"ם מודרניות, הרעש הפנימי שווה או נמוך מהרעש החיצוני, להוציא מקרים שבהם המכ"ם מכוון ישירות למעלה והסביבה "קרה" עד כדי כך שהיא מייצרת רעש רקע נמוך.

הפרעות רקע

ערך מורחב – הפרעות רקע (מכ"ם)

הפרעת רקע נפוצה: הדי מכ"ם שמוחזרים ממטרה ולאחר מכן מוחזרים מהקרקע או מהיונוספירה גורמים ל"רוחות רפאים" להופיע על תצוגת המכ"ם. במקרה זה המטרה האמיתית היא המטוס ונלוות אליה שתי ההשתקפויות של המטוס בקרקע וביונוספירה. סוג זה של הפרעות רקע מטריד במיוחד שכן הדמויות של המטרה נראות נעות באותה מהירות יחד עם המטוס כך שלא ניתן להשתמש באפקט דופלר כדי לסנן. מערכת מכ"ם משוכללת צריכה לדעת להבחין בין מטרות אמיתיות למטרות מדומות.

מערכות מכ"ם צריכות להתגבר על אותות לא־רצויים כדי להתמקד במטרה בה היא מתעניינת. מקורות האותות יכולים להיות פנימיים או חיצוניים, פעילים או סבילים. היכולת של מערכת מכ"ם להתגבר עליהם מגדירה את היחס אות־רעש (SNR) של המכ"ם.

SNR מוגדר כיחס בין עצמת האות הרצוי לעצמת הרעש בתוך אות נתון. הוא משווה עצמת האות הרצוי לרמת רעש הרקע הקיימת, כגון רעש אטמוספירי ורעש פנימי של המקלט. ככל שה־SNR גבוה יותר, כך גבוהה יכולתו לבודד את האות הרצוי מהאותות האחרים.

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 מופחת בעוברו באטמוספירה.
• אנטנה - תפקידה להוציא את האות המשודר מהמשדר לאוויר (לתאם עכבות). במקרים רבים תפקיד האנטנה הוא גם למקד את אנרגיית הרדיו לאלומה דקה.
• מקלט - תפקידו לקלוט את ההחזרים. המקלט צריך להיות שקט (דל רחש) ובעל הגבר גדול.
• מעבד אות - תפקידו לבצע את העיבודים המתמטיים כמו למשל לחלץ את האות מתוך רעשי הרקע, להפריד את האנרגיה הנקלטת לפי תדרי הדופלר כדי לחלץ את האות החוקי מהמטרה, כאשר המטרה נמצאת על רקע של הקרקע וכיוצא בזה. במכ"מים מודרניים, מכ"מים של "מערכים מנוהלי פאזה" מעבד האות הוא מרכיב קריטי בביצועי המכ"ם כולו כמערכת שלמה.

ניתן לסווג מערכות מכ"ם שונות לפי הזווית הביסטטית שהיא הזווית שנוצרת בין המשדר, המטרה והמקלט. במכ"ם סטנדרטי כל הרכיבים נמצאים במיקום יחיד ואינם מפוזרים במרחב ולכן הזווית היא אפס. מכ"ם מסוג זה נקרא מכ"ם מונוסטטי. מכ"ם שבו המשדר והמקלט מופרדים גאוגרפית יכול להיות בעל זווית ביסטטית קרובה לאפס, ואז הוא ייקרא מכ"ם פסאודו־מונוסטטי או זווית משמעותית גדולה מאפס, ואז הוא ייקרא מכ"ם ביסטטי אם ההפרדה היא על פני שני מיקומים שונים, או מכ"ם מולטיסטטי אם על פני למעלה משניים. מרבית המכ"מים הם מונוסטטיים בשל נוחות התכנון והתפעול ובשל המורכבות החישובית שבאיתור מטרות באמצעות מכ"ם שבו הקליטה אינה מתקבלת באותו מקום כמו השידור (להסבר ראו ערך טווח ביסטטי).

משדר

דרישות מרכזיות:

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

מכיוון שבניית משדר שעונה על הדרישות וגם בעל הספק רב היא 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 הן 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.

אנטנה

אנטנה של מכ"ם הגילוי האווירי P-14 שאורכה 33 מטרים

תפקיד האנטנה הוא לקשר בין המשדר לאוויר כך שמירב אנרגיית הרדיו תעבור לאוויר. בנוסף האנטנה מעצבת את אלומת אנרגיית 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 מכניים (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 במכ"מים מוטסים. אנטנות אקטיביות קשות לבניה ויקרות במידה משמעותית מאנטנות פסיביות.

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.

סוגי מכ"ם

ניתן לחלק מכ"מים למספר סוגים לפי אופי הפעולה:

• מכ"ם פעימות (פולסים) - המכ"ם משדר אנרגיית 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. מכ"מים מסוג 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 המופע יישמר.

תפקידי מכ"ם

מכ"ם התרעה/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 התרעה בדרך כלל בעלי אנרגיה גבוהה וטווח גדול, משמשים להתרעה מפני חדירה אווירית למרחב.

מכ"מים אלה מתחלקים לשלוש קבוצות עיקריות:

מכ"מי גילוי אזוריים

מכ"מי ענק, בעלי טווח גילוי של מאות קילומטרים מול "מטרה אופיינית". מכ"מים אלו משרתים את יחידות הבקרה האזוריות (יב"אות) ותכליתם לאפשר הגנה אווירית ממטוסים חודרים (מכ"מים צבאים) או בקרה של התנועה האווירית (מכ"מים אזרחיים). בעשרים השנים האחרונות התחילו להפיע, לצרכים אלו, גם מכ"מים הנישאים על בלון וגם מכ"מים נישאים על מטוסי התרעה מוקדמת - אם כי, תצורות אלו, בדרך כלל משרתות רק צבאות.

מכ"מים מקומיים לפיקוח

מכ"מים קטנים יותר המשמשים לפיקוח "הדוק" במרחב אווירי המפוקח על ידי "מגדל פיקוח" - מרחב אווירי בעל מאפיינים ייחודיים המשמש מטוסים בשלבי ההצטרפות לנחיתה, נחיתה, המראה ועזיבת מרחב שדה התעופה.

מכ"מים להנחיה צמודה של מטוסים לנחיתה, תוך בקרה מלאה מהקרקע

אלו מכ"מים בעלי אונה צרה מאוד, מכ"מים סטטיים שתכליתם לאפשר לפקח טיסה שהוכשר לכך לתת הנחיות רדיו בדיבור לטייסים הניגשים לנחיתה בתוך ענן. בעשורים האחרונים, מערכות אלו יוצאות משימוש ומוחלפות על ידי מערכות ILS ובשנים האחרונות גם מערכות GPS.

מכ"ם מוטס

מכ"ם שמורכב על כלי־טיס. קיים ברוב מטוסי הקרב, ובנוסף במטוסי נוסעים חדישים. שונה מאד 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 משמש כאמצעי גילוי, אמצעי להרכשת מטרות ולבסוף כאמצעי בקרת אש לטילי אוויר־אוויר.

ברוב מטוסי הקרב המתקדמים ניתן להשתמש במכ"ם גם לצורך מיפוי הקרקע וגילוי מטרות נייחות באמצעות מודי SAR (מכ"ם מפתח סינתטי), וגילוי ועקיבה אחרי מטרות נעות באמצעות מודי GMTI

מכ"ם "מערך סריקה אלקטרוני" Active electronically scanned array

חלק מהמכ"מים המוטסים משתמשים באנטנות קבועות ובטכנולוגיה של הסחת פאזה באנטנה על מנת ליצור אלומה. יכולת זו, נכון ל־2014, נחשבת מתקדמת ביותר, וידועות מספר קטן מאד של חברות שמסוגלות לייצר אנטנות כאלה. באופן מבצעי, אנטנות "מערך מנוהל פאזה" מובצעו כמעט רק במטוסי דור חמישי (F35, F22 ובחומש הקרוב, מספר מדינות שוקלות לשלב יכולת זו גם ב F15, F16). אחת החברות הבודדות בעולם שמסוגלת לייצר מכ"מים כאלה היא חברת "אלתא מערכות" מאשדוד, ישראל.

למכ"ם AESA יש מספר תכונות, מאפיינים ותפקידים ייחודיים ובכלל זה:

• מכיוון שניהול מיקום האלומה במרחב מתבצע אלקטרונית, ללא הזזת האנטנה, ניתן בכל נקודת זמן, להחליט על מצב עבודה שונה - לדוגמה, מרגע שמתגלתה מטרה, ניתן "לחקור" אותה על ידי השתהות קצרה עליה, ככל הנדרש לטיוב הנתונים. מרגע שיש עקיבה, אין צורך שהמכ"מ ישתהה ברציפות על המטרה (כלומר, יהיה "נעול" עליה), אלא שאפשר לשלב בין המשך חיפוש מטרות לבין "עקיבה" שרובה יכול להתבצע רק חישובית.
• ניתן להקצות חלק ממשאבי המכ"ם לביצוע משימות גילוי קורנים ולאוו דווקא לקליטת פולסים שהמכ"ם עצמו שידר. מצב זה מאפשר למכ"ם לעשות תפקידים שבאופן מסורתי היו משויכים ל"מערכות התראה ממכ"ם" - RWR.
• מכיוון שהיכולת לשדר ולקלוט באמצעות אנטנה שטוחה מרובת רכיבי שידור/קליטה הכרחית - הרי שמכ"מי AESA "מטבעם" מתאימים גם לביצוע חסימות לוחמה אלקטרונית - בתחום התדר הרלוונטי עבורם. מצבים אלו מאפשרים למכ"ם לעשות תפקידים שבאופן מסורתי היו שייכים למערכות לוחמה אלקטרונית אקטיביות ייעודיות - ECM.
• מכיוון שהאנטנה סורקת את המרחב בצורה אלקטרונית, במהירות רבה, ניתן לשלב מצבים ייעודים להתמודדות עם לוחמה אלקטרונית - ECCM. למשל, כאשר המכ"ם מזהה חסימה מכיוון מסוים, הוא יכול לא לשדר יותר רק בכוון הזה, או להפך, לשדר לכוון הזה "צרוף של צורת גל ותדר" שתהווה פיתיון לחוסם להישאר "נעול" על הפיתיון ותאפשר למכ"ם לעבוד בתדרים אחרים.
• המכ"ם יכול לשלב בין מצבי אויר־אוויר למצבי אויר־קרקע, "בו־זמנית" בראיית המשתמש.

אוסף התכונות שלעיל מחייב מעבד אות ויכולת מיחשובית גבוהה מאוד. מרגע שיכולות אלו ישנן, אפשר גם להכניס שיטות פעולה חדשניות כמו למשל ניהול בסיס נתונים רחב על מספר גדול של מטרות בו־זמנית, טכניקות שתכליתן לזהות מטרות ולא רק לגלות אותן ועוד.

במטוס ה F35 האמריקאי, הצרוף של יעילות מכ"ם ה - AESA ביחד עם שטח החתך המכ"מי הנמוך שלכאורה יש למטוס הביאו את המתכננים האמריקאים להחלטה שלא לשלב בכלל מערכות ללוחמה אלקטרונית, אקטיביות, מחוץ למכ"ם.

מכ"ם ימי

מסך השליטה והבקרה של מכ"ם ימי טיפוסי המותקן על גבי אוניות.

מכ"ם ימי מותקן באוניות ומשמש 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.

מכ"ם בקרת אש

משמש אמצעי בקרה לטילי אוויר־אוויר או טילי קרקע־אוויר (טק"א), על מנת להנחות את הטיל לפגיעה או לתמוך את שלבי נווט הביניים שלו, עד שהוא ננעל בעצמו על המטרה. הדרישות ממכ"ם זה שונות, ביניהן דיוק גבוה וקצב דגימה גבוה של המטרה. רוב המכ"מים המשמשים לבקרת אש משתמשים באנטנות הסחת פאזה, ובאלגוריתמים מתוחכמים של עקיבה אחר מטרות על מנת לייעל את עבודתם.

גם במערכות הגנה אקטיבית, מערכות להפלת טילים בליסטיים באמצעות יירוט שלהם על ידי טילים־מיירטים, הגילוי הראשוני, סווג המטרות, המידע הנדרש למיירט עד לשלב בו הוא ננעל עצמאית על המטרה - כל אלו מתבצעים על ידי מכ"ם בקרת אש ייעודי. נכון ל 2014, כל מערכות ההגנה האקטיבית המוכרות בעולם עושות שימוש במכ"ם "מערך מנוהל פאזה" מהסוגים המתקדמים ביותר שהטכנולוגה מאפשרת. תחום זה, במובנים מסוימים "מוביל", את התקדמות המכ"מים המודרניים.

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. חברת אלתא היא מובילה עולמית בתחום ופיתחה מכ"ם בוהה המספק מידע מדויק ויכולת עקיבה אחר מטרות.

מכ"ם מִפְתָּח סינתטי (SAR)

מכ"ם מִפְתָּח סינתטי, SAR, הוא 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.

מכ"ם לגילוי מטרות נעות - (GMTI (Ground Moving Targets Indication

אחת המשימות העיקריות של צבאות, היא היכולת לתת התרעה מוקדמת על כוחות עתודה המוזרמים אל חזית הלחימה. לצורך זה בעיקר, בחלק מהמכ"מים המוטסים ישנו מצב פעולה ייעודי שתכליתו לתת חיווי על מטרות נעות על הקרקע. משימה זו היא משימה לא פשוטה למכ"ם מכיוון שבהגדרה, המשימה מתבצעת כאשר האונה הראשית של המכ"ם מסתכלת אל הקרקע ובטווח שבו מצפים למצוא מטרות. מימוש מוצלח של מוד זה מחייב לכן יכולת הפרדה טובה מאד בתדר כדי מצד אחד "לנקות" את רעשי הקרקע ומצד שני, להצליח לבודד מטרות נעות כמו למשל טנקים בנסיעה. פרמטר מרכזי לאיכות של מוד זה היא המהירות המינימלית שבה עדיין ניתן לגלות מטרה נעה. נכון ל 2014, קיימות מספר תוכניות פיתוח שתכליתן לשלב מודי "מכ"ם מפתח סינתטי" ביחד עם מודים ייעודיים לזיהוי מטרות נעות כך שניתן יהיה לקבל את "תמונת הקרב הקרקעי" - הן בהיבטי מיפוי והן בהיבטי מטרות נעות - על גבי אותה תצוגה. מכיוון שהמכ"ם עובד גם "דרך" עננים נכון לייחס לאפשרויות אלה חשיבות רבה. לארצות הברית ישנו מטוס ייעודי לצורך זה JSTARS.

מכ"ם חודר קרקע

מכ"ם לטווחים קצרים (מטרים־עשרות מטרים בודדים) המאפשר מיפוי תת־קרקע כולל חשיפת עצמים, חללים וסדקים. משמש לביצוע חקר במסגרת מדעי כדור הארץ.

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.

תדרים אפשריים

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

סוגי סרטים ותדרים במכ"ם

סוג הסרט	טווח התדר	טווח אורך הגל	הערות
HF	3-30 MHz	10-100 m	ת"ג - 'תדר גבוה', מערכות מכ"ם חופים, "מעבר־לאופק".
P	< 300 MHz	1 m+	האות "P" מציינת את המילה האנגלית "previous (קודם)". השם לסרט זה ניתן במחשבה לאחור על מערכות מכ"ם מוקדמות.
VHF	50-330 MHz	0.9-6 m	תג"מ - תדר גבוה מאוד. טווח ארוך מאוד, עוקף מכשולים;
UHF	300-1000 MHz	0.3-1 m	תא"ג - תדר אולטרה גבוה. עוקף מכשולים, כולל עצים. טווח ארוך מאד - משמש לגילוי מוקדם של טילים בליסטיים.
L	1-2 GHz	15-30 cm	טווח ארוך. משמש לבקרה אווירית ומעקב. האות "L" מציינת את המילה "long (ארוך)".
S	2-4 GHz	7.5-15 cm	בקרה אווירית, חיזוי מזג אוויר ארוך טווח, מכ"ם ימי ; האות "S" מציינת את המילה "short (קצר)".
C	4-8 GHz	3.75-7.5 cm	טרנספונדרים של לוויינים; מזג אוויר,
X	8-12 GHz	2.5-3.75 cm	ביות טילים, רדאר ימי, מיפוי ברזולוציה בינונית ומעקב קרקעי, בתחום הצר 10.525GHz ±25 MHz משמש מכ"מים של שדות תעופה. מסומן X כיוון שתחום התדרים הוגדר כחשאי במהלך מלחמת העולם השנייה.
Ku	12-18 GHz	1.67-2.5 cm	מיפוי ברזולוציה גבוהה, מדידת גובה לוויינים. השם Ku נבחר מכיוון שתדר זה הוא מתחת (under) לסרט K
K	18-27 GHz	1.11-1.67 cm	מוגבל בשל עיוותים הנגרמים מאדי מים וטיפות מים באוויר. משמש לאיתור עננים על ידי מטאורולוגים וכגלאי מהירות על ידי המשטרה. גלאים אלה פועלים בתחום 24.150GHz 0.100 MHz
Ka	27-40 GHz	0.75-1.11 cm	טווח קצר. משמש למיפוי וכטריגר למצלמות תנועה המיועדות לגלות נהגים החוצים צומת ברמזור אדום.
mm	30-300 GHz	10 mm - 1 mm	גלים מילימטריים - אורך גל של מילימטרים בודדים או פחות מכך. מחולק לתחומי משנה בשורות הבאות. לאותיות אין משמעות ככל הנראה, ולעיתים משתמשים באותיות אחרות לסמן תחומים אלה.
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	משמש לתצפית מטאורולוגית ברזולוציה גבוהה, לדימות ולחיישנים חזותיים במערכות אוטונומיות.

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 התרעה 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 להתרעה 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".

ראו גם

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

לקריאה נוספת

• Merrill Ivan Skolnik, Radar Handbook, McGraw-Hill, 1990.
• August W. Rihaczek, Principles of High-Resolution Radar, Artech, 1996.

קישורים חיצוניים

• המכ"ם הימי, באתר "שער לים"
• רן לוי, המצאת המכ"ם ו'הקרב על בריטניה', באתר "עושים היסטוריה", 9 בספטמבר 2007 (שידור של הפודקאסט וטקסט מלא שלו)
• תנועה יחסית, באתר "שער לים"
• מכ"ם טכנולוגיה (Radar Principles)
• מכ"ם - המצאה ללא ממציא, באתר "הידען"
• איך הרוסים זיהו את שיגור הטיל הישראלי, באתר הארץ, 6 בספטמבר 2013