מכ”ם גלים מילימטרים למיפוי קרקע ברזולוציה גבוהה ממרחק

ד”ר משה עינת/רפאל ג’אן

מיפוי קרקע הינו אחד משימושי המכ”ם הנפוצים כיום. מכ”ם מיפוי נקרא בשם ‘מכ”ם מפתח סינטטי’. למיפוי בעזרת מכ”ם ישנן מספר יתרונות חשובים על פני מיפוי בעזרת מצלמה. המכ”ם מסוגל למפות בכל מזג אויר, בחושך מוחלט, במרחק גדול ואף מעבר לאופק. עננים, עשן ואובך לא חוסמים את המיפוי. זמנים אלו ידועים כמועדים לפורענות שכן גם הצד השני יודע מתי מערכות הגילוי מתקשות לפעול. מנגד, החיסרון הטבעי מול מערכת אופטית הוא הרזולוציה.

כדי לייצר מפה שימושית יש צורך ברזולוציה גבוהה מספיק כך שיהיה ניתן להבחין בעצמים שאותם רוצים לזהות במיפוי. לדוגמא, לצורך זיהוי מבנים גדולים יש צורך ברזולוציה של 9-15  מטר, לצורך זיהוי כלי רכב יש צורך ברזולוציה של 1-3 מ’, ולצורך זיהוי משגרי רקטות בעזה יש צורך ברזולוציה של סנטימטרים. ברור כי רזולוציית מיפוי של סנטימטרים נותנת אפשרויות אטרקטיביות.

רזולוציית המיפוי מורכבת מרזולוציית הטווח ורזולוציית האזימוט.

רזולוציית האזימוט ניתנת לשיפור ע”י הארכת האנטנה, כפי שניתן לראות ממשוואת רזולוציית האזימוט של מכ”ם: 

כאשר  היא אורך הגל המשודר,    הוא הטווח למטרה, ו  הוא אורך האנטנה.

רזולוציית הטווח ניתנת לשיפור ע”י הגדלת רוחב הסרט (Bandwidth), כפי שניתן לראות ממשוואת רזולוציית הטווח של מכ”ם: 

כאשר c הוא מהירות האור ו –  הוא רוחב הסרט של משדר המכ”ם.

במקרים שאנו נצרכים להגיע לרזולוציה גבוהה (high resolution), אנו נתקלים במגבלות גם ברזולוציית האזימוט וגם ברזולוציית הטווח. הארכת האנטנה לצורך שיפור רזולוציית האזימוט מוגבלת מאוד כיון שכלי טיס הנושאים מכ”ם מסוגלים לשאת אנטנה המגיעה לאורך של מטרים בודדים במקרים המקסימאליים, ומחישוב פשוט עולה כי רזולוציה של סנטימטרים ממרחק רב דורשת אנטנה באורך של קילומטרים בשמיים. לא מעשי בעליל.

המגבלה על אורך האנטנה הוסרה כבר בשנת 1951. בשנה זו פיתח קרל ווילי (Carl A. Wiley) את הקונספט לפיתוח מכ”ם מיפתח סינטטי (Synthetic Aperture Radar). מכ”ם SAR, משתמש בהתקדמות המטוס ובעיבוד אותות לצורך יצירת מיפתח אנטנה סינטטי. מיפתח אנטנה סינטטי יכול להגיע לאורך של מספר קילומטרים. פתרון זה מיושם היום במערכות המפתח הסינטטי הקיימות בעולם על מטוסים ולוויינים. ווילי, הסיר את המגבלה הגדולה שהייתה עד אז על רזולוציית האזימוט, אך המגבלה על רזולוציית הטווח עדיין נותרה בעינה. בתדרים הנפוצים במכ”ם (X-Band~10GHz), רוחב הסרט יכול להגיע עד מאות MHz. לקבלת רזולוציה של סנטימטרים בטווח יש צורך בהגדלת רוחב הסרט לאלפי MHz. קשה לקבל רוחב סרט כה גדול בתחום התדר הנ”ל שכן הוא מהווה אחוז ניכר מתדר הגל הנושא. זאת במיוחד כשנדרש הספק שידור גבוה של מאות וואט ואף קילו-וואט.

כדי לקבל את רוחב הסרט הדרוש לשיפור הרזולוציה בטווח ניתן לעלות בתדר ולהשתמש בתחום הגלים המילימטרים (גמ”מ) 30-300GHz. בתחום זה קיימת בעיה בכך שמקורות הקרינה הנפוצים של גמ”מ מבוססי התקני מצב מוצק מוגבלים בהספק האות שהם מסוגלים לשדר. מנגד השפופרות שפועלות היטב בתחום המיקרוגל מסוג שפופרת גל נע (traveling wave tube – TWT) מוגבלות בתחום התדר העליון. בנוסף, תדרי גמ”מ סובלים מניחות גדול של האותות באטמוספירה. הניחות לסיגנל בתדר של 50GHz, לדוגמה, מגיע קרוב ל-1dB/km בגובה פני הים. כפי שניתן לראות מהגרף הבא:

 כפי שניתן לראות מגרף זה, קיימים מספר תדרים בעלי מינימום מקומי בניחות, יחסית לתדרים סביבם. תדרים אלו נקראים ‘חלונות’, ובהם משתמשים בד”כ במימושים להעברת גמ”מ למרחקים. החלונות העיקריים בגובה פני הים נמצאים בתדרים: 35 GHz, 94 GHz, 140 GHz, 230 GHz. ע”י שימוש במקורות השידור הפועלים בגמ”מ בהספק גבוה, וניצול ה’חלונות’, ניתן ליצור מכ”ם גמ”מ המשדר ממרחק רב וממפה את השטח עם רזולוציית טווח גבוהה.

לאחרונה, גדלה ההתעניינות במכ”מים ביסטטיים. מכ”ם ביסטטי הינו מכ”ם בעל מקלט ומשדר המרוחקים זה מזה, בניגוד למכ”ם רגיל (מונוסטטי) המורכב ממשדר ומקלט הממוקמים שניהם על אותה פלטפורמה. למכ”ם ביסטטי יש מספר יתרונות על-פני מכ”ם מונוסטטי. בעזרתו ניתן: לגלות פלטפורמת חמקניות, לשמור על המשדר בצורה טובה יותר ע”י הרחקתו מהשטח הממופה, תוך כדי קירוב המקלט הפסיבי. מכ”ם כזה הינו חסין מפני Jamming וטילי ARM (Anti-Radiation Missiles), טילים אלו ננעלים על מקור שידור ומנסים להשמידו. במקרה ביסטטי, המשדר יהיה מרוחק ומחוץ לטווח הטילים ואילו המקלט הינו פסיבי, ולכן איום זה הוסר.

במציאות העכשווית של ישראל, ניתן להשתמש במכ”ם ביסטטי בפעולות מעל עזה או לבנון, כך שהמשדר מרוחק ומחוץ לטווח האיום ואילו המשדר קרוב יותר לאיזור העוין אך עובדת היותו פסיבי מקשה מאוד לפגוע בו. כמו כן, המשדר יכול להיות מזל”ט קטן וזול כך שגם אם יפגע הנזק יהיה נמוך יחסית.

במחקר משותף שבוצע באוניברסיטת אריאל וחברת אלישרא פותח סימולטור למכ”ם מפתח סינטטי שבו ניתן לבחון בקלות יתרה מתארים שונים ולקבל הערכה מדוייקת של רזולוציית המיפוי האפשרית באותם המתארים.

באיור הבא מתוארת סימולציה של מכ”ם SAR ביסטטי המשדר תדר של 94GHz (אורך גל של 3 מ”מ). בסימולציה זו התקבלה רזולוצייה ייחודית של 3 ס”מ בטווח וס”מ אחד באזימוט.

רזולוציות כאלו מאפשרות גילוי מגוון רחב של עצמים, ואפילו עצמים בסדר גודל של ס”מ. היתרונות והחשיבות של מערכת כזו ברורים. הפעלת מערכת מכ”ם גמ”מ SAR ביסטטי כמוצע לעיל יכולה לעזור בשמירה על חיי אדם, ולחסוך אבדות רכוש צבאי יקר ערך, תוך שמירה על רמה מבצעית גבוהה.

לצורך מימוש מערכת כזו נדרש מקור רב עוצמה הפועל בתחום הגמ”מ. הדוגמא לעיל מבוססת על מקור בתדר 95GHz ובעוצמה של 300 וואט. כתוצאה מכך ניתן למקם את המשדר במרחק של 100 ק”מ מהאזור הממופה (במונחים שלנו רחוק מאד מעזה או מלבנון) ועדיין לקבל את המיפוי. הג’יירוטרון הוא מנגנון אינטראקציה שמאפשר קבלת תדרי גמ”מ בהספקים גבוהים. שפופרת זו דומיננטית ביותר בתחום הגמ”מ ובעולם משמשת כמקור קרינה לצורך היתוך תרמו-גרעיני. בשפופרת זו מסחררים אלומת אלקטרונים במסלול ספירלי באמצעות שדה מגנטי, ולאחר קיבוץ האלקטרונים הם מפיקים קרינה אלקטרומגנטית קוהרנטית חזקה. שפופרת זו מוכרת בעולם, וקיימות מספר קבוצות מחקר באוניברסיטאות בעולם שעוסקות במחקר שפופרות אלו, בעיקר ברוסיה וארה”ב. ישנן גם חברות מסחריות בודדות כמו CPI  האמריקאית ו Gycom הרוסית (הצמודות לקבוצות המחקר האוניברסיטאיות) שאף מוכרות שפופרות ג’יירוטרון במחירי עתק. לאחרונה יש קושי רב לקנות ציוד מסוג זה במיוחד בתדרים המיוחדים שמתאימים לחלונות התדר הנ”ל. מארה”ב נדרשים רישיונות ייצוא מיוחדים ומרוסיה עוד יותר קשה לקנות. בשנים האחרונות הוקמה קבוצת מחקר באוניברסיטת אריאל אשר בה מפתחים יכולת בניית שפופרות ג’יירוטרון לגלים מילימטרים. כבר היום קיימות מספר שפופרות שניבנו במעבדה וניתן לקבל הספקים של עשרות קילו-וואט בתדר 95GHz. כמוכן נבנות שפופרות לתדרים אחרים: 27GHz, 39GHz ולהספק של 100kW. עם ביסוס הידע וייצוב שיטות התכנון והייצור תוך הטמעה תעשייתית של היכולת, ניתן יהיה לבסס מערכות שונות כגון מכ”ם מיפוי בגלים מילימטרים על שפופרות אלו ולפתוח אופקים חדשים ברזולוציה פנטסטית.

ד”ר משה עינת הוא ראש המעבדה לפיתוח שפופרות במחלקה להנדסת חשמל, אוניברסיטת אריאל.