מערכות מכ”מ מודרניות משמשות בטווח רחב של יישומים מסחריים, אזרחיים, מדעיים וצבאיים. בנוסף לתחומי היישומים המסורתיים שהם צבאיים, מזג אוויר ואכיפת החוק, טכנולוגית המכ”מ משמשת בתחומים של בטיחות רכב ותחבורה ציבורית, מיפוי עולמי, חיפושי נפט ואף באבטחת איכות עבור שיטות ייצור שבהן נדרש דיוק של פני המשטח או שלמות של החומר. מגוון של טכניקות מכ”מ משמשות לתמיכה בטווח הרחב הזה של תחומי יישומים.
ייחודו של מכ”מ FSCR (מכ”מ ציוץ בתדר מדורג – Frequency Stepped Chirp Radar) ביכולתו להגיע לרזולוציה בטווח רחב במערכת בעלת רוחב פס רגעי מוגבל. אותות דופק רציפים גדלים באופן ליניארי בצעדים בדידים. האות המאופנן באותות דופק משודר באמצעות אנטנה. אות ההד המוחזר משולב באות המשודר ליצירה של אות פעימה (beat signal), שהוא יחסי הפוך לרוחב הפס (BW). רזולוצית הטווח היא היכולת להבדיל בין שתי מטרות שונות באותו כיוון עם שני טווחים שונים. כאשר c מהירות האור, רזולוצית הטווח היא:
רזולוצית הטווח 
היא:
תדר המשדר משתנה באופן מדורג ליניארית מ-, תדירות הגל הנושא ההתחלתית, כאשר 
מייצג את גודל מדרגת התדר.
n=1…N, כל פרץ (burst) שווה ל-N אותות דופק
מאחר שרוחב הפס יחסי ל-
, הצבת התדר המדורג במשוואת רזולוצית הטווח תיתן:
רזולוצית הטווח =
מערכת תדר מדורג ליניארית מגיעה לרוחב פס גדול על ידי יצירת עם אותות דופק מרובים. לשיטה זו יש עוצמה רבה מפני שבעזרתה אפשר לשפר את רזולוצית הטווח על ידי שינוי . טכניקת FCSR מאפשרת למערכות מכ”מ להגיע לרזולוצית טווח טובה יותר בעזרת תכנון שמממש רוחב פס רגעי קטן וקצב דגימה נמוך יחסית, אשר בסופו של דבר, מפחיתים עלויות ומקטינים את מורכבות המערכת. כלי התכנון המתאימים מובילים לתכנון עם יכולת חיזוי גבוהה שמספקים אימות חומרה קודם להשקעה בהוצאות חד פעמיות ובסבבים של רכיבים לגלי מיקרו בהתאמה אישית.
ההפרדה בין הזזת Doppler שנגרמת על ידי הפרעות מכשול (clutter) (עצמים שאינם במוקד העניין) לבין העצם האמיתי היא בעיה עמוסה מבחינה מתמטית. גילוי מטרה נעה (MTD) שנגרמת על ידי הפרעות מכשול יכולה לחולל התרעות שווא. אחת הדרכים שבה ניתן לשכך תופעה זו היא על ידי הוספת חיישנים. את מיקום המטרה מקבלים מתוך חישוב טריאנגולציה של מדידות המרחק מכל זוג חיישנים. איור 1 מציג מערכת עם שני חיישנים שבהם מדידת טריאנגולציה הפיקה ארבע תוצאות
(A, B, C ו-D) עבור שתי המטרות הממשיות שיכולות ליצור התרעת שווא. מספר גילויי השווא יגדל ככל שיתווספו מטרות. כמו כן, מערכת מכ”ם ציוץ יכולה ליצור תופעות צימוד Doppler משל עצמה.
מודל טוב של מערכת מכ”ם מסייע בהערכת מערכת תקשורת. לתוך ספריית מערכות מכ”ם של מדמה מערכות חזותי (VSS) של AWR מובנים כמה כלים כדוגמת גלאי קצב התרעות שווא קבוע (CFAR), גלאי מטרות נעות (MTD) ומחוון הסתברות הגילוי (POD). סוג זה של עיבוד אותות ממומש בדרך כלל באמצעות עיבוד אותות ספרתיים (DSP) ביחידת פס הבסיס של המקלט (גילוי מאוחר של אות ת”ר – RF).
אפשר בקלות ליצור מודל של מערכות FSCR באמצעות מקלט בעל יכולת עיבוד DSP בפס רחב. על מנת לקבל את המידע במישור התדר ובמישור הזמן עבור אותות מכ”ם, יש צורך בנתח אותות וקטורי בפס רחב, כמו למשל, נתח VSA ל-26.5 ג’יגה הרץ, דגם NI-5668R. מכשור זה מאופיין ברוחב פס רגעי של עד 765 מגה הרץ והוא כולל התקן FPGA ניתן לתכנות שבו אפשר להשתמש כדי לדמות אלגוריתמי גילוי.
VSS של AWR יכול לבצע מורכבויות מודלים של מערכות מכ”ם בטווח רחב. דוגמה למודל של מערכת Doppler שפועלת באותות דופק עם ציוץ מוצגת באיור 2.
השימוש ב-VSS מאפשר ליצור מודל של הרכיבים של ארכיטקטורת מכ”ם בסיסית באמצעות רכיבים בסיסיים (primitives) ברמת מערכת, לרבות קבצים של נתוני פרמטרי-s ממשיים וחזויים.
לאחר שהאות המצויץ משודר ומגיע אל המטרה, נעשה גילוי של האות החוזר על ידי האנטנה אשר מועבר למקלט. איור 3 מציג את תרשים הבלוקים של המקלט. לנתח NI5668R VSA יש התקן FPGA מסוג Kintex7 שאותו אפשר לתכנת על מנת ליצור מודל של התגובות השונות של המסנן המתואם במקלט, כדי להפריד את האות שבמוקד העניין מהפרעות המכשול דרך יישום שיטות גילוי מתקדמות.
איור 3 חושף את רכיבי NI5668R VSA: ממיר כלפי מטה, תוכנה, קושחה (Firmware) וחומרה שמשולבים יחד, כדי ליצור מודל של ארכיטקטורת מכ”ם בסיסית. תדירות הביניים הסופית מומרת לספרתי באופן ישיר, כדי למנוע שגיאות ניצבות ושגיאות היסט שנפוצות במערכות ללא תדר ביניים (zeroIF), ובכך נמנע הכיול של ליקויי IQ. בלבו של מעבד פס הבסיס NI5668R נמצא מנוע , FPGA מסוג Kintex7. התקן FPGA משמש לשתי מטרות:
1. לקיום תקשורת ישירה עם התוכנית המארחת, לעבד ולבקר את שטף הנתונים דרך האפיק אל המחשב המארח
2. לבצע את אלגוריתמי עיבוד DSP המורכבים באות פס הבסיס שהומר לספרתי.
פס הרוחב הרגעי הגדול של נתח NI–5668R VSA מאפשר קבלה של אותות גלי מיקרו עד 26.5 ג’יגה הרץ.
עיבוד אותות
“במערכות מכ”ם
שרשרת עיבוד אותות לגילוי מוצגת באיור 4. האלגוריתם החישובי לזיהוי מטרות ולעיבוד Doppler ממומש בהתקן FPGA.
יצירת דוגמה של ציוץ בסריקת תדרים
אפשר לגזור ציוץ מדורג מציוץ רציף אבל אותות הדופק ממתגים את שיפוע התדירות כמוצג באיור 5. בפועל, אפשר לשנות את אותות הדופק בעזרת פונקצית חלון במקום להשתמש באותות דופק מלבניים. חלון Kaiser משמש בדוגמה זו.
סיכום
מערכות מכ”ם FCSR עמוסות בעיבוד אותות ולכן חשוב ביותר ליצור מודל של החומרה ושל האלגוריתמים הנומריים על מנת להשיג את היעדים האלו. את המקלט של מערכות המכ”ם אפשר להחליף במכשור שמאפשר אימות של שיטות גילוי המטרה. באמצעות VSS, פלטפורמת PXI והתקני נתח VSA לפס הרחב משולבים יחד, אפשר ליצור מערכת מכ”ם מתקדמת.
פראנק רפאלי הינו מהנדס ראשי לת”ר וגלי מיקרו וטראנג.
ד. נגוין הינה מנהלת פרויקט בכירה, בחברת NI
