הדי מכ”ם ממחולל – פיתרון בדיקה חדשני עבור המעבדה והשירות

אופציה חדשה בתוכנה מדמה הדי מכ”ם ריאליסטיים שניתן להשתמש בהם כדי לבדוק בצורה מובנת מערכות מכ”ם. כל מה שדרוש הוא מחולל אותות ונתח ספקטרום.

מכ”מים: אמינות מוכחת היא חובה
מכ”מים, בדומה למערכות אופטיות, מספקים תמונות של הסביבה. הם משתמשים באותות אלקטרומגנטיים כדי להאיר את הסביבות ויוצרים לאחר מכן תמונה של הסביבה מתוך ההדים המוחזרים על-ידי עצמים מחזירים. שלא כמו מערכות אופטיות, מכ”מים יכולים גם ליצור תמונת מצב בחושך או במקומות שהראות גרועה. מכ”מים בנויים ממספר תת-מערכות הכוללות משדר, מקלט ומעבד מכ”ם, אשר מחשב את תמונת המצב מתוך הנתונים שנקלטו. המכ”ם מוצב באופן הפעולה המתאים עבור המשימה הספציפית ומעבד המכ”ם קובע את הפרמטרים הדרושים, כגון משך הפולסים וקצב חזרת הפולסים.
אחת הדרישות האופייניות עבור מכ”ם ניווט היא לגלות את הד האותות המוחזר מספינה אחרת מבין ההדים הרבים המשבשים הנגרמים מגלים, אף בימים קשים. מאחר שתמונות מכ”ם הן חיוניות עבור ניווט וסיור, על המערכות להיות אמינות ביותר. הבטחת האמינות דורשת לעתים קרובות בדיקות שדה נרחבות בנוסף לבדיקות המעבדה התקניות (ראה מסגרת) – ואלה צריכות לחזור בכל אופן פעולה. למכ”מי ניווט, לדוגמה, יש שני אופנים נפרדים לשם גילוי עצמים קרובים ומרוחקים. כל הבדיקות הללו דורשות זמן ומחייבות משאבים, דבר המסביר מדוע יצרנים ומפעילים תמיד משתדלים למזער את המאמץ הנדרש.

תוכנת הדמיה מקטינה את מאמץ הבדיקה
אופציית תוכנת יצירת הדי המכ”ם R&S®SMW-K78 עבור מחולל האותות הוקטורי R&S®SMW200A מאפשרת למשתמשים ליצור בצורה מלאכותית הדי מכ”ם. נתח האותות והספקטרום R&S®FSW דרוש גם כמקלט מכ”ם. פיתרון זה עושה את בדיקות השדה לבלתי חיוניות בעליל. האופציה יכולה ליצור הדי אותות מכ”ם בצורה מציאותית ומספקת את כל התנאים המוקדמים עבור בדיקות מולכות (conducted) ומעל האוויר (over-the-air OTA). המחולל בודק את נתח הספקטרום ומעצב אותו כך ששני ההתקנים מופנים אל המשתמש כמערכת יחידה המופעלת דרך המחולל.
עבור בדיקות מקלט עצמן, ה-R&S®SMW200A יכול לשמש כמחולל הדים אף ללא נתח הספקטרום. הוא מייצר את האותות המשודרים בתחום הבסיס הדיגיטלי, למשל על-ידי שימוש בתוכנת ה-R&S®Pulse Sequencer (ראה מאמר בהמשך).

הדמיה מציאותית של הדי מכ”ם
ה-R&S®SMW200A מייצר הדי מכ”ם של עצמים עומדים ונעים בתחומים שניתן לעצב על-ידי המשתמש. הוא קובע אוטומטית את ההשהיה, את תדר ה-Doppler ואת רמת מוצא ה-RF עבור כל עצם. לגבי עצמים נעים, המחולל מעדכן בקביעות את ההשהיה ואת רמת המוצא של אות ההד. זה אומר, לדוגמה, שרמת האות של הד של עצם המתקרב בצורה רדיאלית אל המכ”ם עולה אחרי כל עדכון. האלגוריתם מבוסס על משוואת המכ”ם והפסד ההתפשטות בחלל החופשי. המחולל יכול לייצר בו-זמנית עד סך של 24 עצמים עומדים ונעים.
החלק העליון של איור 2 מראה את התפריט לשם הגדרת העצמים ויצירת אות ההד. עצמים עומדים מקבלים טווח מיוחד. הממד שלהם ניתן להגדיר דרך חתך הפעולה (radar cross section –RCS). האופציה R&S®SMW-K78 מגדירה את עצמי הנקודה עם RCS קבוע, המכונה לעתים קרובות “Swerling o” על-פי הסטטיסטיקה RCS הבסיסית.
לגבי עצמים נעים, ניתן לקבוע את טווח ההתחלה והסיום אל המכ”ם (איור 2, למטה). ניתן לעצב לעצמים מסלול תנועה, כלומר נתיב חד-כיווני מההתחלה אל הסוף או התנועה הרצופה בין מיקום ההתחלה והסוף. רכיבות (superposition) של הדים ניתנת להדמיה בקלות על-ידי עירוב בין עצמים עומדים ונעים.

תרחיש אופייני של בדיקה בים

איור 1. תרחיש בדיקה כדי לקבוע את רזולוציית הטווח של מכ”ם

עבור בדיקות אשרור, מכ”מים ימים מותקנים על ספינה ומופעלים. הספינה פועלת בתחום ימי מוגדר בו עצמים עם תכונות הטיה והספק הטיה (בעיקר מצופים) ממוקמים. אלה מסודרים כך שאפשר לקבוע את תכונות המכ”ם החשובות ביותר כגון רזולוציית הטווח ורזולוציית האזימות.
רזולוציית הטווח של מכ”ם היא היכולת לזהות ששני עצמים הממוקמים אחד מאחורי השני באותה זווית האזימות אל המכ”ם הם עצמים נפרדים. המכ”ם הנבדק משדר אות פולסי וקולט אותות הדים משני מצופי הבדיקה (איור 1). ההפרש בין זמני ההשהיה של שני ההדים מהווה מדידה עבור המרחב הגיאומטרי של שני העצמים. אם המערכת יכולה להבחין בין שני אותות ההד, שני העצמים יוצגו על מסך המכ”ם. אם רזולוציית הטווח היא נמוכה מידי, רק עצם אחד ייראה על המסך. הקביעה של רזולוציית האזימות היא דומה. במקרה זה, נעשית בדיקה כדי לראות אם המערכת יכולה להבחין בין שני עצמים הממוקמים באותו הטווח, אך בזוויות אזימות שונות כלפי הכיוון אליו הספינה נוסעת. יכולת זו נקבעת בעיקר על-ידי מאפייני האנטנה.
מכ”מי ניווט צריכים להיות מסוגלים לזהות בבטחה ספינות אחרות באזור על אף ההדים המפריעים הרבים הנגרמים על-ידי ים גבוה. פיתרון הבדיקה החדש של Rohde & Schwarz מאפשר למשתמשים לדמות הדי מכ”ם, כולל הדי הספינה, במהלך הפיתוח.

טיפול בהרבה מקרי בדיקה שונים
מהנדסי מכ”ם צריכים להתמודד עם מקרי בדיקה וסוגים מרובים. בדיקות מערכת אופייניות כוללות אישור ביצועי דיכוי מטרות קבועות עבור מכ”מי חיווי מיקום מטרה (moving target indicator – MTI) ובדיקת סף המינימום לגילוי עצם כלשהו. כדי שמערכת תהיה מסוגלת לבדוק האם מערכת מכ”ם יכולה לגלות עצמים קטנים על-יד עצמים גדולים, היא זקוקה ל תחום דינמי חופשי מתופעות כוזבות. על-ידי יצירת הדים מרובים ועצמים אחדים בעלי מהירויות שונות, ניתן להוכיח כמה טוב מכ”מים יכולים לעקוב, להבחין ולהציג עצמים אלה. גישות בדיקה תקניות כגון שימוש בקווים אופטיים מושהים פותרים רק בחלקן סוגיות אלה. הן לרוב לא גמישות, זקוקות ככלל לתחזוקה אינטנסיבית ודורשות גם ציוד מדידה אחר כדי לבצע את כל הבדיקות הללו. תודות לתכונות ה-RF והרב-צדדיות המצוינות, המחולל הוקטורי R&S®SMW200A המצויד באופציה R&S®SMW-K78 יכול לשמש לביצוע מגוון בדיקות ללא צורך בציוד רב.

בדיקות מולכות ובדיקות OTA
עבור בדיקות מולכות (conducted tests), אות המכ”ם מוזן ל-R&S®FSW באמצעות כבל. הוא מומר לאחר מכן כלפי מטה, מסופרת בזמן אמיתי ומוזן אל ה-R&S®SMW200A (איור 3, למעלה). המחולל משתמש באות זה כדי ליצור אותות הד בלתי נפרדים מההדים האמיתיים. עבור בדיקות OTA, האותות מוקלטים ומשודרים על-ידי אנטנות המחוברות ליציאת המבוא של הנתח וליציאת המוצא של המחולל (איור 3, למטה).
בדיקות מולכות
בדיקות מולכות הן אידיאליות עבור פיתוח ובדיקה סופית לפני שהמכ”ם מותקן סופית על פלטפורמה. הן מקטינות משמעותית את המאמץ הכולל מאחר שבדיקות שהיו אפשריות מאוחר יותר, כגון בדיקות אשרור עבור מכ”ם ניווט, יכולות להתבצע במהלך הפיתוח.
התוכנה מציעה את האופציה לעצב ידנית את רמת הקליטה של המכ”ם או על-ידי שימוש במשוואת המכ”ם לחשב אוטומטית אותה על בסיס תרחיש המכ”ם. איור 4 מראה את כל הפרמטרים (מלבד תכונות העצמים והתדר המרכזי) שיש לקבוע כדי להשתמש במשוואת המכ”ם לשם חישוב אוטומטי של רמת הספק האות במקלט.

בדיקות OTA
אם המכ”מים כבר פועלים ומותקנים על ספינה, לדוגמה, אזי המאמץ לערוך בדיקות במעבדה הוא גבוה מידי. במקרים כאלה, יש לבצע בדיקות תפעוליות בים. אולם, דבר זה גוזל זמן ובמשך זמן זה לא ניתן להשתמש בספינה. הפתרון של Rohde & Schwarz מאפשר ביצוע של בדיקות נרחבות בזמן של תחנות רגילות בנמל. המערך מורכב מה-R&S®FSW ו-R&S®SMW200A עם אנטנות במבואות ומוצאי ה-RF (איור 5). המחולל והנתח מותקנים במערכת בדיקה קבועה הקולטת את אותות המכ”ם דרך אנטנת בדיקה בעלת תכונות ידועות ומחזירה את ההדים אל המכ”ם הנבדק. ניתן לעצב מערך בדיקה זה (איור 5) בשלמות על ה-R&S®SMW200A אם כל פרמטרי נתיב השידור הרלוונטיים ידועים (לדוגמה שבחי אנטנת המכ”ם ומערך הבדיקה והספק השידור של המכ”ם).
גם עבור מקרה זה של בדיקה, אפשר לעצב ידנית את רמת הקליטה של המכ”ם או להשתמש במשוואת המכ”ם כדי לחשב אותה אוטומטית על בסיס תרחיש המכ”ם. הספק המוצא RF הדרוש במחולל נקבע אוטומטית מפרמטרי העיצוב כך שרמת ההד הנכונה מגיעה למבוא של מקלט המכ”ם.

דוגמה של תרחיש בדיקה
תרחיש בדיקה אופייני מורכב משני עצמים. תרחישים כאלה ניתן לדמות בקלות במעבדה בעזרת ה-R&S®MW200A. ניתן לשנות פרמטרים על-פי גרסאות שונות. החלק העליון של איור 6 מציג מבט מוקדם במראה הטווח/מהירות המציג את התוצאה הכוללת של פרמטרי העצמים המוחזרים המעוצבים. עצם 2 (כתום) הוא קבוע בתחום של 3.75 קילומטרים מהמכ”ם. עצם 1 (כחול) נע כמה קילומטרים הרחק מהמכ”ם במהירות של 750 מטר/שנייה וחוזר. לפני סיום הבדיקות, המשתמש יכול לבדוק באם התרחיש מעוצב כהלכה.
החלק התחתון של איור 6 מראה את רמת אות ההד כנגד זמן מחושב על-ידי ה-R&S®SMW200A. להד 2 (הנגרם על-ידי עצם 2) יש רמה קבועה והשהיית זמן קבועה כלפי פולסי השידור. הרמה של הד 1 (הנגרם על-ידי עצם 1) כמו גם השהיית הזמן אל פולסי השידור משתנות על-פי הטווח.

סיכום
אופציית ה-R&S®SMW-K78 החדשה עבור יצירת הדי מכ”ם חוסכת זמן כאשר בודקים אבי-טיפוס בפיתוח כמו גם כאשר משרתים מערכות מכ”ם תפעוליות. מחולל האותות R&S®SMW200A ביחד עם נתח האות והספקטרום R&S®FSW מאפשרים לבצע בדיקות מכ”ם מכריעות אשר קודם ניתן היה לבצע רק על-ידי בדיקות שדה גוזלות זמן אחרי השלמת הפיתוח. המשתמש לא חייב להשקיע בפתרונות מיוחדים ועלות ציוד המעבדה מוקטנת מאחר שנתח הספקטרום ומחולל האותות הוקטורי זמינים כבר וניתן להשתמש בהם עבור משימות מדידה אחרות.