מכ"ם

מכ"ם (ראשי תיבות של מגלה כיוון ומרחק), או רדאר (באנגלית: RADAR, ראשי תיבות של Radio Detection And Ranging או Radio Direction And Ranging), הוא מערכת אלקטרונית לגילוי ומעקב אחר מיקומם של עצמים במרחב באמצעות שימוש בגלי רדיו. המכ"ם יכול לשמש בין השאר לאיתור כלי טיס ושיט, טילים וחלליות, ואף הר, להקות ציפורים ומערכות מזג אוויר. מלבד מיקום העצם הנצפה, בדרך כלל ביכולת המכ"ם להפיק מידע אודות כיוון תנועתו ומהירותו אם הוא בתזוזה, ואף גודלו וצורתו של העצם.
לרוב מערכות מכ"ם מורכבות ממשדר המייצר את גלי הרדיו האלקטרומגנטיים, אנטנה המשדרת אותם לכיוון הרצוי, אנטנה הקולטת את גלי הרדיו החוזרים (לעיתים רבות אנטנה אחת משמשת הן לקליטה והן לשידור) ומקלט ומערכת לעיבוד גלי הרדיו החוזרים, המספקת מידע אודות העצמים הרלוונטיים. גלי הרדיו המשודרים מהאנטנה יוצאים למרחב ופוגעים בעצמים בו. לאחר פגיעות אלו הם חוזרים אל המכ"ם ונקלטים במקלט לאחר שנקלטו באנטנה. לפי אורך הזמן שעבר מרגע שידור האות לחזרתו, ולפי שיטות נוספות, מסוגל המכ"ם לחשב את מרחקו וכיוונו של העצם הנסרק ממקור השידור ועל ידי כך לאתר את מיקומו.
תחילה פותח המכ"ם לצרכים צבאיים על ידי מספר מדינות בשנים שקדמו למלחמת העולם השנייה. השימוש הצבאי במכ"ם נועד בעיקר לאיתור ויירוט מטוסי קרב, טילים וספינות מלחמה של האויב. בראשית דרכו של המכ"ם, ההתקדמות המכרעת בהתפתחותו הטכנולוגית אירעה בבריטניה. המונח האנגלי למכ"ם, RADAR, נטבע בשנת 1940 על ידי הצי האמריקאי. בימינו משמש המכ"ם לשימושים מגוונים לרבות בקרת תעופה אווירית אזרחית, חיזוי מזג אוויר, מחקר אסטרונומי אודות גרמי השמים, ומחקר גאופיזי וגאולוגי על מערכות תת-קרקעיות. המכ"ם יכול להוות מתקן נייח היושב על הקרקע, או מתקן נייד על בסיס כלי רכב, כלי שיט וכלי טיס.

היסטוריה

כבר ב־1904 הדגים הממציא כריסטיאן הילסמייר (Christian Hülsmeyer) 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.

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.

החזרה

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

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: . 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 מאוד 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: . 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: .

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 לאובדן חלק מהמידע הגולמי.

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, ליניארי ומעגלי כדי לגלות סוגי החזרה שונים. לדוגמה, קיטוב מעגלי משמש להפחית את השפעות ההפרעה הנוצרת כתוצאה מגשם. החזרות של קיטוב ליניארי, בדרך כלל מצביע על משטחים מתכתיים.
קיטוב אקראי מצביע על משטח לא אחוד כגון סלעים, אדמה ומשמשים מכ"מי ניווט.

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 אידיאלי, 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 ליניארית 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.

מכ"ם מוטס

מכ"ם שמורכב על כלי־טיס. קיים ברוב מטוסי הקרב, ובנוסף במטוסי נוסעים חדישים. שונה מאוד 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 ימי

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 מאוד 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.