אנו יכולים לצפות בחפצים שונים ברחבי העולם. באופן דומה, זיהוי וטווח רדיו דמוי מכ'ם משמש לסייע לטייסים תוך כדי טיסה בערפל מכיוון שהטייס אינו יכול להבחין במקום בו הם נוסעים. המכ'ם המשמש במטוסים דומה לאור לפיד שעובד עם גלי רדיו במקום האור. המטוס משדר אות מכ'ם מהבהב ומקשיב לכל אינדיקציה לאות זה מאובייקטים סמוכים. ברגע ששמים לב לאינדיקציות, המטוס מזהה שמשהו נמצא בקרבתו והוא מנצל את הזמן שנדרש לאינדיקציות כדי להגיע לגילוי עד כמה הוא רחוק. מאמר זה דן בסקירה כללית של מכ'ם ועבודתו.

מי המציא את הרדאר?

בדומה למספר המצאות, מערכת הרדאר אינה קלה לתת קרדיט ליחיד מכיוון שזו הייתה תוצאה של עבודה קודמת על המאפיינים של אלקטרומגנטית קרינה לנגישות של מכשירים אלקטרוניים רבים. שאלת הדאגה העיקרית מסובכת יותר בגלל הסתרת הפרטיות הצבאית שבמסגרתה נבדקו טכניקות מיקום רדיו במדינות שונות בראשית ימי מלחמת העולם השנייה.

סופרת ביקורת זו הגיעה למסקנה שכאשר מערכת המכ'ם היא מקרה מובהק של יצירה ישירה, הערתו של רוברט ווטסון-וואט בנושא איתור ומיקום מטוסי מטוסים שפורסמה מיד לפני 50 שנה. אז זה היה הפרסום הבודד המשמעותי ביותר בתחום זה. ההישג הבריטי במאבק בבריטניה הקדיש הרבה להרחבת מערכת מכ'ם שכללה צמיחה טכנית עם היתכנות תפעולית.

מהי מערכת מכ'ם?

RADAR מייצג איתור רדיו ומערכת Ranging. זו בעצם מערכת אלקטרומגנטית המשמשת לזיהוי מיקום ומרחק של אובייקט מהנקודה בה ממוקם ה- RADAR. זה עובד על ידי קרינת אנרגיה לחלל ומעקב אחר ההד או האות המוחזר מהאובייקטים. הוא פועל בתחום ה- UHF והמיקרוגל.

מכ'ם הוא חיישן אלקטרומגנטי המשמש להבחנה, מעקב, איתור וזיהוי עצמים שונים שנמצאים במרחקים מסוימים. פעולת הרדאר היא, היא מעבירה אנרגיה אלקטרומגנטית לכיוון היעדים לתצפית על ההדים וחוזרת מהם. כאן היעדים אינם אלא ספינות, מטוסים, גופים אסטרונומיים, כלי רכב, חלליות, גשם, ציפורים, חרקים וכו 'במקום לשים לב למיקום המטרה ומהירותה, היא גם משיגה את צורתם וגודלם לעיתים.

המטרה העיקרית של מכ'ם בהשוואה למכשירי חישה אינפרא אדום ואופטי היא גילוי מטרות רחוקות בתנאי אקלים קשים וקובעת את מרחקם, טווחם באמצעות דיוק. לרדאר משדר משלו הידוע כמקור תאורה להצבת מטרות. באופן כללי, זה עובד באזור המיקרוגל של הספקטרום האלקטרומגנטי המחושב בהרץ כאשר התדרים נמשכים בין 400 מגה-הרץ ל -40 גיגה-הרץ. המרכיבים החיוניים המשמשים ברדאר

המכ'ם עובר פיתוח מהיר בשנים 1930-40 כדי להגיע לדרישות הצבא. הוא עדיין משמש באופן נרחב באמצעות הכוחות המזוינים, בכל מקום בו נוצרו כמה התקדמות טכנולוגית. במקביל, מכ'ם משמש גם ביישומים אזרחיים במיוחד בשליטה על תעבורה אווירית, תצפית על מזג האוויר, ניווט בספינה, סביבה, חישה מאזורים מרוחקים, תצפית על כוכבי לכת, מדידת מהירות ביישומים תעשייתיים, מעקב חלל, אכיפת חוק וכו '.

עקרון עבודה

ה עקרון עבודה ברדאר הוא פשוט מאוד מכיוון שהוא מעביר כוח אלקטרומגנטי וכן בוחן את האנרגיה המוחזרת חזרה אל המטרה. אם האותות המוחזרים מתקבלים שוב במיקום המקור שלהם, מכשול הוא בדרך השידור. זהו עקרון העבודה של מכ'ם.

יסודות המכ'ם

מערכת RADAR מורכבת בדרך כלל ממשדר המייצר אות אלקטרומגנטי המוקרן לחלל על ידי אנטנה. כאשר האות הזה פוגע באובייקט, הוא משתקף או מוחל מחדש לכיוונים רבים. אות מוחזר או הד זה מתקבל על ידי אנטנת הרדאר המספקת אותו למקלט, שם הוא מעובד לקביעת הסטטיסטיקה הגאוגרפית של האובייקט.

הטווח נקבע על ידי חישוב הזמן שלוקח האות לנסוע מה- RADAR ליעד וחזרה. מיקום המטרה נמדד בזווית, מכיוון אות ההשראה המרבי, שהאנטנה מצביעה עליו. כדי למדוד את הטווח והמיקום של אובייקטים נעים, משתמשים באפקט דופלר.

החלקים המהותיים במערכת זו כוללים את הדברים הבאים.

משדר: זה יכול להיות מגבר כוח כמו קליסטרון, צינור גל נסיעה, או מתנד כוח כמו מגנטרון. האות נוצר תחילה באמצעות מחולל צורות גל ואז מוגבר במגבר הכוח.
מדריכי גל: מוליכי הגל הם קווי העברה להעברת אותות RADAR.
אַנטֶנָה: האנטנה המשמשת יכולה להיות רפלקטור פרבולי, מערכים מישוריים או מערכים מדורגים מבוטלים אלקטרונית.
דופלקס: דופלקס מאפשר לאנטנה לשמש כמשדר או מקלט. זה יכול להיות מכשיר גזי שיוצר קצר בכניסה למקלט כאשר המשדר עובד.
מַקְלֵט: זה יכול להיות מקלט סופר-הטרודיני או כל מקלט אחר שמורכב ממעבד לעיבוד האות ולאיתורו.
החלטת סף: פלט המקלט מושווה לסף לאיתור נוכחות של אובייקט כלשהו. אם הפלט נמצא מתחת לסף כלשהו, יש להניח שנוכחות רעש.

כיצד מכ'מ משתמש ברדיו?

ברגע שהמכ'ם מונח על ספינה או מטוס, הוא דורש מערך מרכיבים חיוני דומה כדי לייצר אותות רדיו, להעביר אותם לחלל ולקבל אותם על ידי משהו ולבסוף להציג את המידע כדי להבין אותו. מגנטרון הוא סוג אחד של מכשיר המשמש להפקת אותות רדיו המשמשים באמצעות רדיו. אותות אלה דומים לאותות אור מכיוון שהם נעים באותה מהירות אך האותות שלהם ארוכים בהרבה עם פחות תדרים.

אורך הגל של אותות האור הוא 500 ננומטר, ואילו אותות הרדיו המשמשים את הרדאר נעים בדרך כלל בין סנטימטרים למטר. בספקטרום אלקטרומגנטי, שני האותות כמו רדיו ואור מיוצרים בעיצובים משתנים של אנרגיה מגנטית וחשמלית בכל האוויר. המגנטרון ברדאר מייצר מיקרוגל זהה לתנור מיקרוגל. הפער העיקרי הוא שהמגנטרון בתוך המכ'ם צריך להעביר את האותות כמה קילומטרים, ולא רק מרחקים קטנים, ולכן הוא חזק יותר כמו גם גדול בהרבה.

בכל פעם ששדרו אותות הרדיו, אז אנטנה מתפקדת כמשדר להעברתם לאוויר. באופן כללי, צורת האנטנה מכופפת כך שהיא ממקדת בעיקר את האותות לאות מדויק וצר אולם אנטנות מכ'ם מסתובבות בדרך כלל כך שיוכלו להבחין בפעולות על פני שטח עצום.

אותות הרדיו עוברים החוצה מהאנטנה במהירות של 300,000 ק'מ לשנייה עד שהם פוגעים במשהו וחלקם חוזרים לאנטנה. במערכת מכ'ם, יש מכשיר חיוני דהיינו דופלקס. מכשיר זה משמש כדי לשנות את האנטנה מצד לצד בין משדר למקלט.

סוגי מכ'ם

ישנם סוגים שונים של מכ'מים הכוללים את הדברים הבאים.

מכ'ם ביסטטי

מערכת מכ'ם מסוג זה כוללת משדר Tx ומקלט Rx המחולק למרחק שווה ערך למרחק האובייקט המשוער. המשדר והמקלט ממוקמים במיקום דומה נקרא מכ'ם נזירי ואילו המשטח הארוך מאוד לאוויר ואוויר לאוויר חומרה צבאית משתמש במכ'ם הביסטטי.

מכ'מ דופלר

זהו סוג מיוחד של מכ'ם המשתמש באפקט הדופלר כדי לייצר מהירות נתונים לגבי מטרה במרחק מסוים. ניתן להשיג זאת על ידי העברת אותות אלקטרומגנטיים לכיוון אובייקט כך שהוא מנתח כיצד פעולת האובייקט השפיעה על תדר האות המוחזר.

שינוי זה ייתן מדידות מדויקות מאוד עבור הרכיב הרדיאלי של מהירות האובייקט ביחס לרדאר. היישומים של מכ'מים אלה כוללים ענפים שונים כמו מטאורולוגיה, תעופה, בריאות וכו '.

מכ'ם מונופול

סוג זה של מערכת מכ'ם משווה את האות המתקבל באמצעות דופק מכ'ם מסוים לידו על ידי ניגודיות האות כפי שנצפה בכיוונים רבים אחרת מקוטבים. סוג המכ'ם החד-פעמי הנפוץ ביותר הוא מכ'ם הסריקה החרוטי. מכ'ם מסוג זה מעריך את ההחזרה משתי דרכים למדידת מיקום האובייקט ישירות. חשוב לציין כי המכ'מים שפותחו בשנת 1960 הם מכ'מים חד-פעמיים.

מכ'ם פסיבי

מכ'ם מסוג זה נועד בעיקר להבחין, כמו גם לעקוב אחר היעדים באמצעות אינדיקציות עיבוד מהתאורה בסביבה. מקורות אלה כוללים אותות תקשורת וכן שידורים מסחריים. הסיווג של מכ'ם זה יכול להיעשות באותה קטגוריה של מכ'ם ביסטטי.

מכ'מ מכשור

מכ'מים אלה מיועדים לבדיקת מטוסים, טילים, רקטות וכו '. הם נותנים מידע שונה כולל שטח, מיקום וזמן הן בניתוח של עיבוד לאחר-זמן והן בזמן אמת.

מכ'ם מזג אוויר

אלה משמשים לאיתור כיוון ומזג האוויר באמצעות אותות רדיו באמצעות קיטוב מעגלי או אופקי. בחירת התדירות של מכ'ם מזג האוויר תלויה בעיקר בפשרה של ביצועים בין הנחתה, כמו גם בהשתקפות משקעים כתוצאה מאדי מים אטמוספריים. סוגים מסוימים של מכ'מים נועדו בעיקר להפעיל משמרות דופלר לחישוב מהירות הרוח וכן קיטוב כפול בכדי לזהות את סוגי הגשמים.

מיפוי מכ'ם

מכ'מים אלה משמשים בעיקר לבחינת אזור גאוגרפי גדול ליישומי חישה מרחוק וגיאוגרפיה. כתוצאה מכ'ם הצמצם הסינטטי, אלה מוגבלים למטרות נייחות למדי. יש כמה מערכות מכ'ם מסוימות המשמשות לזיהוי בני אדם אחרי קירות שונים יותר בהשוואה למערכות הנמצאות בחומרי בניין.

מכ'מים ניווטיים

באופן כללי, אלה זהים לחיפוש מכ'מים, אך הם זמינים באורכי גל קטנים המסוגלים לשכפל מהקרקע ומאבנים. אלה משמשים בדרך כלל בספינות מסחריות כמו גם במטוסים למרחקים ארוכים. ישנם מכ'מים ניווטיים שונים כמו מכ'מים ימיים המוצבים בדרך כלל על ספינות כדי למנוע התנגשות וכן מטרות ניווט.

RADAR פעמו

RADAR פעמו שולח פעימות הספק גבוהות ותדרים גבוהים לעבר אובייקט היעד. לאחר מכן הוא ממתין לאות ההד מהאובייקט לפני שנשלח דופק אחר. הטווח והרזולוציה של ה- RADAR תלויים בתדירות החזרת הדופק. הוא משתמש בשיטת משמרת דופלר.

העיקרון של גילוי RADAR באמצעות אובייקטים נעים באמצעות משמרת הדופלר פועל על העובדה כי אותות הד מאובייקטים נייחים נמצאים באותו שלב ומכאן שהם מבוטלים בעוד שאותי הד מאובייקטים נעים יהיו בשינויים מסוימים בשלב. מכ'מים אלה מסווגים לשני סוגים.

דופק דופלר

הוא משדר תדירות חזרה של דופק כדי למנוע עמימות בדופלר. האות המשודר ואות ההד שהתקבל מעורבבים בגלאי כדי לקבל את הסטת הדופלר ואת אות ההפרש מסונן באמצעות פילטר דופלר שבו אותות הרעש הלא רצויים נדחים.

דיאגרמת חסימות של RADAR דופלר מפועם

מחוון יעד נע

זה משדר תדירות חזרה של דופק כדי למנוע עמימות בטווח. במערכת MTI RADAR, אותות ההד שהתקבלו מהאובייקט מופנים לעבר המיקסר, שם הם מעורבבים עם האות של מתנד מקומי יציב (STALO) להפקת האות IF.

אות IF זה מוגבר ואז מועבר לגלאי השלב שבו משווים את השלב שלו לשלב האות מהמתנד הקוהרנטי (COHO) ומופק אות ההפרש. לאות הקוהרנטי שלב זהה לאות המשדר. האות הקוהרנטי ואת האות STALO מעורבבים וניתנים למגבר הכוח שמופעל ומכבה באמצעות מאפנן הדופק.

מכ'ם MTI

גל מתמשך

הגל הרציף RADAR אינו מודד את טווח היעד אלא את קצב שינוי הטווח על ידי מדידת הסטת הדופלר של אות ההחזרה. ב- CW RADAR נפלטת קרינה אלקטרומגנטית במקום פולסים. זה משמש בעצם ל מדידת מהירות .

אות ה- RF ואות ה- IF מעורבבים בשלב המיקסר כדי לייצר את תדר המתנד המקומי. אות ה- RF מועבר ואז האות והאות שהתקבל על ידי אנטנת ה- RADAR מורכב מתדר ה- RF בתוספת תדר הסטת הדופלר. האות המתקבל מעורבב עם תדר המתנד המקומי בשלב התערובת השני ליצירת אות תדר ה- IF.

אות זה מוגבר וניתן לשלב התערובת השלישי בו הוא מעורבב עם אות ה- IF כדי לקבל את האות בתדר דופלר. תדר דופלר זה או שינוי דופלר נותן את קצב שינוי טווח המטרה וכך נמדדת מהירות המטרה.

דיאגרמת חסום המציגה CW RADAR

משוואת טווח מכ'ם

ישנם סוגים שונים של גרסאות הזמינות למשוואות טווח הרדאר. כאן, המשוואה הבאה היא אחד מהסוגים הבסיסיים של מערכת אנטנות בלבד. כאשר מניחים שהאובייקט נמצא באמצע אות האנטנה, ניתן לכתוב את טווח זיהוי הרדאר הגבוה ביותר כ-

Rmax = 4√Pt λ2G2σ / (4π) 3Pmin

= 4√Pt C2G2σ / fo2 (4π) 3Pmin

'Pt' = העברת כוח

'Pmin' = אות מינימלי לזיהוי

'Λ' = העברת אורך גל

“האם סלילי tesla מייצרים חשמל ”

'Σ' = חתך של מכ'ם המטרה

'Fo' = תדר בהרץ

'G' = רווח של אנטנה

'C' = מהירות אור

במשוואה לעיל, המשתנים יציבים כמו גם מסתמכים על מכ'ם מלבד היעד כמו RCS. סדר כוח השידור יהיה 1 mW (0 dBm) ורווח האנטנה כ- 100 (20 dB) עבור ERP (הספק קרינה יעיל) של 20 dBm (100 mW). סדר האותות הפחות בולטים הוא פיקוואט וה- RCS לרכב עשוי להיות 100 מ'ר.

לכן, הדיוק של משוואת טווח הרדאר יהיה נתוני הקלט. Pmin (אות מורגש מינימלי) תלוי בעיקר ברוחב הפס של המקלט (B), F (נתון רעש), T (טמפרטורה) ויחס S / N הכרחי (יחס אות לרעש).

מקלט עם רוחב פס צר יגיב יותר בהשוואה למקלט BW רחב. ניתן להגדיר נתון רעש מכיוון שהוא חישוב של כמה רעש המקלט יכול לתרום לקראת האות. כאשר נתון הרעש נמוך יותר אז הרעש יהיה פחות המכשיר תורם. כאשר הטמפרטורה עולה, זה ישפיע על הרגישות של המקלט באמצעות רעש קלט עולה.

Pmin = k T B F (S / N) דקות

מהמשוואה לעיל,

'Pmin' הוא האות הפחות מזוהה

'K' הוא הקבוע של בולצמן כמו 1.38 x 10-23 (ואט * שניות / ° קלווין)

'T' היא טמפרטורה (° קלווין)

'B' הוא רוחב הפס של מקלט (הרץ)

'F' הוא נתון הרעש (dB), גורם הרעש (יחס)

(S / N) דקות = יחס S / N לפחות

כוח הרעש התרמי i / p הזמין יכול להיות פרופורציונאלי לכיוון ה- kTB בכל מקום ש- 'k' הוא קבוע של בולצמן, 'T' הוא הטמפרטורה ו- 'B' הוא רוחב הפס של רעש המקלט בהרץ.

T = 62.33 ° F או 290 ° K

B = 1 הרץ

kTB = -174 dBm / Hz

ניתן לכתוב את משוואת טווח הרדאר לעיל עבור הספק שהתקבל כמו טווח פונקציות עבור הספק שידור מסופק, רווח אנטנה, RCS ואורך גל.

Prec = Pt λ2G2σ / (4π) 3R4max = Pt C2G2σ / (4π) 3R4fo2

Prec = PtG2 (λ / 4π) 2 σ / 4πR2

מהמשוואה לעיל,

'Prec' הוא הכוח שהתקבל

'Pt' הוא כוח השידור

'Fo' הוא תדר השידור

'Λ' הוא אורך הגל המשדר

'G' הוא הרווח של אנטנה

'Σ' הוא חתך הרדאר

'R' הוא הטווח

'ג' הוא מהירות האור

יישומים

ה יישומי מכ'ם כלול את הבאים.

יישומים צבאיים

יש לו 3 יישומים עיקריים בצבא:

בהגנה אווירית הוא משמש לאיתור יעד, זיהוי יעד ובקרת נשק (הפניית הנשק למטרות המעקב).
במערכת טילים להנחיית הנשק.
זיהוי מיקומי אויב במפה.

בקרת תנועה אווירית

יש לו 3 יישומים עיקריים בבקרת תעבורה אווירית:

לשלוט בתעבורה אווירית ליד שדות תעופה. ה- RADAR של מעקב האוויר משמש לאיתור והצגת עמדת המטוס במסופי שדה התעופה.
כדי להנחות את המטוס לנחות במזג אוויר גרוע באמצעות RADAR של Precision Approach.
לסרוק את משטח שדה התעופה לאיתור עמדות מטוסים ורכבי קרקע

חישה מרחוק

זה יכול לשמש לתצפית אם או תצפית על עמדות פלנטריות וניטור קרח ים כדי להבטיח מסלול חלק לספינות.

“כיצד להמיר תלת פאזי לשלב אחד ”

בקרת תעבורה קרקעית

זה יכול לשמש גם את משטרת התנועה כדי לקבוע את מהירות הרכב, לשלוט על תנועת כלי הרכב על ידי מתן אזהרות לגבי נוכחות של כלי רכב אחרים או כל מכשול אחר שמאחוריהם.

מֶרחָב

יש לו 3 יישומים עיקריים