מערכות מכ”ם משמשות למגוון גובר של יישומים, כאשר הביקוש מרכב קרקעי עצמאי וממטוסים זעירים מתווסף לשימוש הקיים בספינות, חיזוי מזג האוויר, מכ”ם בקרת טיסה (air traffic control – ATC) וביטחון. השימוש במערכות בדיקה ומדידה מסחריות מהמדף (commercial-off-the-shelf – COTS) הפך למקובל באפיון מערכת המכ”ם עצמה אך הוא גם מציע יתרונות בשטח המעניין ביותר מפעילי מכ”ם – גילוי ועקיבה של מטרות.
בדיקה בשדה היא הגישה המסורתית, אך היא עשויה להתגלות כצורכת זמן, מורכבת ויקרה, ועשויה לכלול תנאים חוזרים שקשה לעצב. החלופה היא להעמיד הדמיות בדיקה מכ”מיות בזמן-אמת הכוללות הרבה סוגים שונים של מטרות ותרחישים. במיוחד מחוללי מטרות צריכים לדמות את טווח, המהירות ההיקפית וממדי המטרה, ביחד עם גורמים סביבתיים, כגון לדוגמה ממטרים. המכ”ם מחשב את הטווח מהחזרה של השהיית הזמן בין שידור וקליטה. מכ”מי דופלר יכולים גם להעריך את המהירות ההיקפית של המטרה מתוך הזזת התדר בין תדר הגל הנושא של השידור והקליטה.
כדי להבטיח דיוק ורזולוציה סבירים, גילוי וקצבי אזעקות שווא של מערכת המכ”ם עבור הבדיקות התפקודיות הללו, יש לייצר מטרות לאורך כל הטווח הבלתי שגוי, מרווח המהירות ההיקפית הבלתי שגויה וכיסוי האזימות/ההגבהה בחתכי מכ”ם שונים. פתרונות מסורתיים, דוגמת קווי השהיה של סיבים אופטיים (fiber optical delay lines – FODL) או זיכרון דיגיטלי בתדר רדיו (digital radio frequency memory, DRFM), לכולם יתרונות שלהם, אך גם חסרונות כגון להיות מתוכננים רק עבור מטרה זו. ציוד מדידה COTS יכול להתגבר על חסרונות אלה תוך יכולת לבצע מטלות בדיקה ומדידה מרובות.
איור 1: תרשים מלבני מפושט של קו ההשהיה של סיב אופטי (fibre optical delay line – FODL)
מחוללי מטרות מכ”ם מסורתיים
FODLs הם מערכות קטנות, יחסית גמישות, קוהרנטיות במופע הממירות את אות ה-RF של המכ”ם לאופטי ומשהות אותו באמצעות קו סיב אופטי בעל אורך מסוים. האות מומר לאחר מכן ל-RF ומשודר בחזרה אל המכ”ם. מערכות מסוימות גם יכולות לצרף הזזת תדר דופלר.
FODLs מציעים השהיה קבועה כנגד תדר, הם חסינים לרעידה, עומדים בגדול להפרעות אלקטרו-מגנטיות, והשהיות בסיבים אינן קורנות אנרגיה. חזרה על ההדמיה, עלות מערכת נמוכה וחסכונות בזמן הם יתרונות-מפתח. בדיקות בהן ביצועי רעש מופע של נושא סגורים הם חיוניים, כגון בדיקת ביטול המטרות הקבועות (fixed target suppression – FTS) יכולות להתבצע יחסית היטב. FODLs אינם יכולים לייצר מטרות של טווח דופלר משתנות בזמן, וגם לא קביעות טווח רצופות או ניחות ושבח אותות אקראיים.
שלא כמו קווי השהיה אופטיים, DRMFs מתפעלים אותות מכ”ם בצורה דיגיטלית – המרה כלפי מטה, סינון והפיכה לדיגיטלי של אות ה-RF הנקלט לפני אכסונו ושינויו. האותות מומרים מחדש לאנלוגיים ומעורבים לתדר RF תוך שימוש באותו מתנד מקומי (local oscillator – LO) המשמש להמרה כלפי מטה. הגברה ושידור חזרה סופיים מסיימים את שרשרת העיבוד.
איור 2: תרשים מלבני מפושט של מערכת DRFM
מפותחים עבור אמצעי-נגד אלקטרוניים ביישומים צבאים, DRFMs יכולים ליצור מטרות דמי כדי להטעות את מכ”ם האויב ויכולים גם לשמש לדמות מטרות אמיתיות לצורכי בדיקה. ברור, קיים מידע מסחרי וציבורי מועט על טכנולוגיה מסווגת זו. ידוע עדיין שמערכות אלו יכולות לכסות תדרים עד 40 גיגה-הרץ, מציעות הפיכה לדיגיטלי עד 12 ביט עם עד 1.4 גיגה-הרץ של רוחב-פס רגעי, תחום דינמי חופשי מהפרעות עד -65dBc עם השהיה מזערית של כמה עשרות ns. אילוצים טכניים מגבילים את היכולת לשלב את כל המפרטים הללו ל-DRFM יחיד. אופיינת, רוחב-פס רחב פירושו פשרה בנאמנות האות או היכולת להפכו לדיגיטלי. יתר על כן, מחוללי מטרה מתמחים אלה הם בעלי עלות גבוהה. על-פי מחלקת ההגנה של ארה”ב (DoD), המחיר של מודול DRFM יחיד נע בין $150,000 עד $700,000 [1].
ההשהיה המזערית המוכנסת על-ידי DRFM מוגבלת בעיקר על-ידי ה-ADC וה-DAC שלו. בנוסף, עיבוד האות מוסיף מספר מחזורי עיבוד לאות ההד של המכ”ם. אופיינית, השהיות טווח מזעריות נעות בין מתחת ל-100ns עד מתחת ל-1µs. שיקול נוסף הוא כיצד אות ה-RF האנלוגי מוצג בתחום הדיגיטלי (אמפליטודה, מופע, I/O) ומספר הביטים, מאחר שזה מה שקובע בעיקר את נאמנות אות ה-DRFM. בנוסף, התחום הדינמי החופשי מהפרעות יכול להגביל את יכולת המכ”ם להבחין בין מטרות אמיתיות מאותות של אמצעי נגד אלקטרוניים.
DRFMs בעלי נאמנות אות גבוהה בעלי החזרות הדי מטרה קוהרנטיים מתאימים מאוד לבדיקות מכ”ם מסוימות, אך אינם מתאימים לטיפול במגוון רחב של תנאי אותות והשפעות תרחישים. עלות וגמישות מוגבלת פירושן שהן אינן מתאימות לבדיקה של פרמטרים תפקודיים של המכ”ם.
איור 3. הצגה של מחולל מטרות מכ”ם בזמן אמיתי COTS (R&S©SMW200A vector signal generator and R&S©FSW signal and spectrum analyser)
ציוד בדיקה ומדידה מסחרי מהמדף
כיום, ציוד בדיקה ומדידה COTS יכול ליצור מטרות מכ”מיות תוך שימוש בשיטות הדומות לאלה של ה-DRFMs: המרה כלפי מטה של RF, טיפול דיגיטלי בפס בסיס והמרה כלפי מעלה ל-RF. הוא עושה זאת על-ידי שילוב של נתח אותות RF במקלט עם מחולל אותות עבור המשדר. מערכות אופייניות פועלות מ-100 קילו-הרץ עד 40 גיגה-הרץ וקולטות כל סוג של אות מכ”ם RF בפס התדר המסוים עם עד 160 מגה-הרץ רוחב-פס, והמרה לאחר מכן של האות לנתונים במופע ומופע-ניצב (נתוני I/Q). נתוני I/Q מופעלים על מבוא פס הבסיס של מחולל האותות היכן שמחברים את השהית הזמן, הזזת תדר הדופלר והניחות אל ערכי המשתמש המסוים. אות הד המכ”ם משודר שוב אל המכ”ם על-ידי מחולל האותות.
יתרון אחד של ציוד מדידה זה הוא ביצועי ה-RF המצוינים, המתאימים לבדיקות מכ”ם פרמטריות במהלך המחקר והפיתוח או הייצור. הגישה הגמישה והמודולארית מאפשרת להשתמש במחולל האותות הוקטורי או נתח האותות והספקטרום במערכים אחרים כמו גם בהתקנה בשדה המיוחדת.
איור 4 מראה את ספקטרום ה-Fast Fourier Transform (FFT), מתווה דופלר-הטווח ורשימת מטרות של מכ”ם בבדיקה (radar under test – RUT). מחולל המטרות COTS כוונן לייצר מטרה יחידה בעלת טווח של 2000 מ’ ומהירות היקפית של 25 מטר בשנייה. כמתואר באיור לעיל, המכ”ם, אשר פועל עם רוחב-פס האות (fsw) של 20 מגה-הרץ ומרווח עיבוד קוהרנטי (TCD) של 500 מיקרו-שניות מודד את הטווח והמהירות ההקפית בהתאמה. למחולל האותות יש מקורות RF מרובים, המאפשרים לבדוק את המכ”ם נגד הפרעות, לדוגמה עם Long Term Evolution (LTE) או שירותים מבוססי-רדיו אחרים [2]. ניתן גם לייצר קבצי צורת-גל אקראיים ולשדר את האותות המפריעים הללו אל המכ”ם כדי לבדוק אלגוריתמים מסתגלים דוגמת ה-“constant false alarm rate-CFAR” או טכניקות אחרות למיתון הפרעת המסך (clutter) קרקעי/ימי.
איור 4: מטרה יחידה המיוצרת על-ידי מחולל מטרה מכ”מי COTS
בנוסף לבדיקת הביצועים התפקודיים של המכ”ם, מחולל המטרות COTS יכול לסייע בקביעת אמצעי הגנה אלקטרוניים במכ”ם, העוזרים למנוע תקריות דוגמת היעלמות מטוס ממכ”ם בקרת טיסה הנגרמת מתרגילי לוחמה אלקטרונית צבאיים [3]. כדי לבדוק את הביצועים של עיבוד האות המכ”מי צורת גל מכ”מית משודרת, מושהית ומופרעת במדמה מטרות המכ”ם. מקלט המכ”ם יכול לומר באם כן או לא החזר ההד היה מדומה או ממשי תוך שימוש במסנני מתאם (קורלציה). אות ללא מתאם עשוי להיווצר ממערכת ECM בשל הדגימה החוזרת בקצב שונה, מספר קטן של ביטים יעילים ב-ADC, רעש מופע או עיוות במגבר במדמה המטרות. כאשר משתמשים ב-DRFM, נאמנות אות ההד במשודר תהיה שונה מזו הנוצרת ממטרה אמיתית. עיבודי המכ”ם הממוקדים בהגנה אלקטרונית יכולים לגלות את ההבדלים מההד החוזר בעל נאמנות שונה. מדידה זו ניתנת לקביעה על-ידי מחולל מטרות המכ”ם המוצג.
הוכחות אלו מראות בעליל שמערכות בדיקה ומדידה COTS מיועדות לבדיקה ומדידה של מכ”מים. בנוסף, ציוד בדיקה ומדידה COTS מסוגל לייצר גם אותות מכ”ם בעלי טווח, מהירות היקפית וחתך מכ”מי שונה. שילוב זה הופך את ציוד הבדיקה המעודכן למכשירים ערכיים ויעילים מאוד לשם בדיקת המכ”ם.
סימוכין
[1] Small Business Innovation Research (SBIR), Navy, Topic N131-006, Acquisition Program, “Direct Digital Radio Frequency (RF) Conversion Digital Radio Frequency Memory (DRFM)”, 2013
[2] Heuel, S.; Roessler, A., “Co-existence Tests for S-Band Radar and LTE Networks”, Microwave Journal – Military Microwaves, August 2014.
[3] Reuters, “Jets vanishing from Europe radar linked to war games”, retrieved from http://www.reuters.com/article/2014/06/13/us-europe-airplanes-safety-idUSKBN0EO1CW20140613, November 2014
