المسح المخروطي

المسح المخروطي نظامٌ استُخدم في وحدات الرادار القديمة لتحسين دقتها، وتسهيل توجيه الهوائي بدقة نحو الهدف. يُشابه المسح المخروطي في مفهومه مفهوم تبديل الفصوص الذي استُخدم في بعض أجهزة الرادار الأولى، وقد عُدّلت العديد من أجهزة تبديل الفصوص ميدانيًا إلى المسح المخروطي خلال الحرب العالمية الثانية ، ولا سيما هوائي التغذية ثنائي القطب الدوار في رادار فورتسبورغ الألماني ، المعروف باسم كويرل. ^{[ 1 ]} وبحلول نهاية الحرب العالمية الثانية، أصبح هذا النظام شائعًا في جميع رادارات توجيه المدفعية .

تعتمد تقنية المسح المخروطي على الطبيعة غير الخطية لهوائيات الرادار، التي تكون أكثر حساسية في اتجاه واحد. بتدوير الهوائي، تزداد قوة الإشارة المرتدة من الهدف أو تضعف تبعًا لمدى قرب الهوائي منه. وبمقارنة زاوية الهوائي بقوة الإشارة والبحث عن ذروة، يمكن تحديد زاوية الهدف. ومن خلال فحص شكل الإشارة المرتدة مع مرور الوقت، يمكن قياس هذه الزاوية بدقة عالية جدًا، تصل إلى 10 إلى 100 ضعف عرض حزمة الهوائي الطبيعية .

يمكن مقارنة الإشارة الناتجة عن المسح المخروطي بإشارة ثابتة باستخدام إلكترونيات بسيطة. يمثل الفرق بينهما إشارة الخطأ ، أي الزاوية بين الهدف في اتجاه محدد. بأخذ قياسين، أحدهما "للأعلى" والآخر "لليمين"، يمكن تضخيم الإشارات الناتجة وإرسالها إلى محركات كهربائية تحرك الهوائي في ذلك الاتجاه. يؤدي هذا إلى تتبع الهوائي للهدف تلقائيًا، مما يبسط تشغيل النظام بشكل كبير، وغالبًا ما يلغي الحاجة إلى مشغلين كانا يقومان بهذه الوظيفة يدويًا. من بين الأنظمة التي تتميز بتتبع آلي كامل من هذا النوع، نظام SCR-584 الأمريكي ورادارات اعتراض الطائرات البريطانية التي ظهرت في أواخر الحرب .

تتعرض أنظمة المسح المخروطي البسيطة للتشويش الناتج عن خداع الزاوية ، مما يؤدي إلى تزييف إشارة الخطأ وانحراف الرادار عن الهدف. وقد طُبّق هذا الأسلوب قرب نهاية الحرب من قِبل الأنظمة البريطانية العاملة ضد سفينة فورتسبورغ. أدى ذلك إلى استبدال أنظمة المسح المخروطي بمجموعات رادار أحادية النبضة بدءًا من خمسينيات القرن الماضي. لا يزال المسح المخروطي يُستخدم في الحالات التي لا يُشكّل فيها التشويش مصدر قلق، فعلى سبيل المثال، تستخدمه شبكة الفضاء العميق للحفاظ على روابط الاتصالات مع المركبات الفضائية . ^{[ 2 ]} استخدمت المركبتان الفضائيتان بايونير 10 وبايونير 11 ، المُثبّتتان بالدوران ، مناورات المسح المخروطي على متنهما لتتبع الأرض في مدارها. ^{[ 3 ]}

يبلغ عرض حزمة هوائي الرادار النموذجي عادةً بضع درجات. ورغم أن هذا العرض كافٍ لتحديد موقع الهدف في مهام الإنذار المبكر ، إلا أنه غير دقيق بما يكفي لتوجيه المدفعية ، الذي يتطلب دقة تصل إلى 0.1 درجة. من الممكن تحسين عرض الحزمة باستخدام هوائيات أكبر، لكن هذا الأمر غالباً ما يكون غير عملي.

لمراقبة اتجاه هدف محدد، يكفي توجيه الهوائي مباشرةً نحو الهدف. معرفة اتجاه توجيه الهوائي تُعطي معرفة اتجاه الهدف. لكي يتتبع نظام الرادار هدفًا متحركًا تلقائيًا، يلزم وجود نظام تحكم يُبقي شعاع الهوائي موجهًا نحو الهدف أثناء حركته. يحصل مستقبل الرادار على أقصى قوة إشارة مُستقبلة عندما يكون الهدف في مركز الشعاع. إذا كان الشعاع موجهًا مباشرةً نحو الهدف، فعندما يتحرك الهدف سيخرج من مركز الشعاع، وستنخفض قوة الإشارة المُستقبلة. يمكن استخدام دوائر مُصممة لمراقبة أي انخفاض في قوة الإشارة المُستقبلة للتحكم في محرك مؤازر يُوجه الهوائي لتتبع حركة الهدف. توجد ثلاث صعوبات في هذه الطريقة:

1. لن يكون لدى الرادار أي معلومات حول الاتجاه الذي تحرك فيه الهدف، وبالتالي لن يكون لديه أي مؤشر على الاتجاه الذي يجب تحريك الهوائي فيه لمتابعته.
2. عندما يبتعد الهدف عن مركز الحزمة، تتغير القدرة المستقبلة ببطء شديد في البداية. ولذلك، فإن النظام غير حساس نسبياً لأخطاء توجيه الهوائي.
3. تُفسر الاختلافات في قوة صدى الهدف الناتجة عن التلألؤ على أنها حركة الهدف.

يعالج المسح المخروطي هذه المشكلة بتحريك شعاع الرادار قليلاً عن مركز الهوائي، أو محوره ، ثم تدويره. على سبيل المثال، إذا كان الهوائي يُولّد شعاعًا بعرض درجتين - وهو عرض شائع - فقد يُحرّك رادار المسح المخروطي الشعاع 1.5 درجة إلى أحد جانبي المحور المركزي بإزاحة بسيطة لوحدة التغذية. في أي لحظة، يُغطي النمط الناتج محور الهوائي لمسافة 0.5 درجة تقريبًا، و1.5 درجة إلى الجانب. بتدوير بوق التغذية بواسطة محرك، يتحول النمط إلى مخروط مركزه المحور المركزي، ويمتد عرضه 3 درجات.

يكمن المفهوم الأساسي في أن الهدف الموجود في منتصف شعاع الرادار سيُصدر إشارة ثابتة بغض النظر عن اتجاه الفص الراداري، بينما إذا كان الهدف على أحد الجانبين، فسيُصدر إشارة قوية عند توجيه الفص الراداري في ذلك الاتجاه، وإشارة ضعيفة عند توجيهه بعيدًا عنه. إضافةً إلى ذلك، يقع الجزء الذي يُغطي خط المنتصف بالقرب من حافة الفص الراداري، حيث تتناقص الحساسية بسرعة. الطائرة المتمركزة في شعاع الرادار تقع في المنطقة التي تُحدث فيها حتى الحركات الطفيفة تغييرًا ملحوظًا في الإشارة، حيث تزداد قوتها بشكل كبير في الاتجاه الذي يحتاج الرادار إلى التحرك فيه. صُمم نظام التحكم بالهوائي لتحريكه في السمت والارتفاع بحيث يتم الحصول على إشارة ثابتة من الطائرة المُتعقبة.

في حين أن استخدام الفص الرئيسي وحده قد يسمح للمشغل "بالبحث" عن أقوى إشارة عائدة وبالتالي توجيه الهوائي في حدود درجة أو نحو ذلك في منطقة "العودة القصوى" تلك في مركز الفص، فإنه مع المسح المخروطي يمكن اكتشاف حركات أصغر بكثير، ويمكن تحقيق دقة أقل من 0.1 درجة.

هناك طريقتان لإعادة توجيه الشعاع بعيدًا عن خط منتصف الهوائي. الأولى تُعرف باسم التغذية الدوارة . وكما يوحي اسمها، يُوضع بوق التغذية بعيدًا قليلًا عن البؤرة المكافئة، مما يؤدي إلى تركيز الطاقة قليلًا بعيدًا عن خط منتصف الهوائي. ثم يُدار بوق التغذية حول البؤرة المكافئة لإنتاج الدوران المخروطي. أما النظام الآخر فهو التغذية المتذبذبة . في هذه الطريقة، يُزاح الهوائي بزاوية بالنسبة لبوق التغذية الثابت، ثم يُدار الهوائي. وفي أحد أنواع التغذية المتذبذبة، يتحرك بوق التغذية في دائرة صغيرة، مُغيرًا اتجاه توجيه الشعاع بسرعة وبشكل مستمر. في هذا النوع الأخير، لا يدور بوق التغذية ولا الهوائي حول محور توجيه الهوائي؛ بل يتغير اتجاه التوجيه فقط، راسمًا مخروطًا ضيقًا.

يكمن الاختلاف الرئيسي بين النظامين الأساسيين في الاستقطاب. فمع دوران بوق التغذية في العملية الدوارة، يتغير الاستقطاب تبعًا للدوران، وبالتالي ينحرف بزاوية 90 درجة عندما يكون بوق التغذية منحرفًا بزاوية 90 درجة عن محوره الأصلي. أما في التغذية المتذبذبة، فلا يحدث أي تغيير في الاستقطاب نظرًا لثبات بوق التغذية. وقد استخدمت معظم الأنظمة المبكرة التغذية الدوارة لبساطتها الميكانيكية، بينما استخدمت الأنظمة اللاحقة التغذية المتذبذبة للاستفادة من معلومات الاستقطاب.

في رادار التحكم في إطلاق النار Mk. 25 التابع للبحرية الأمريكية، ساعد نمط المسح الحلزوني في تحديد الأهداف . وهو في الأساس مسح مخروطي (من نوع التغذية المتذبذبة غير الدوارة)، حيث يتزايد حجم مخروط المسح ويتناقص دوريًا مرتين في الثانية تقريبًا. وتبلغ مساحة المسح عدة درجات. (بمجرد تحديد الهدف، ينتقل المشغل إلى المسح المخروطي للتتبع).

بما أن الفص يدور حول خط منتصف الهوائي، فإن المسح المخروطي مناسب فقط للهوائيات ذات المقطع العرضي الدائري. كان هذا هو الحال بالنسبة لرادار فورتسبورغ، الذي كان يعمل في نطاق الموجات الميكروية . استخدمت معظم القوات الأخرى رادارات ذات أطوال موجية أطول بكثير، مما يتطلب هوائيات مكافئة ضخمة الحجم، واستخدمت بدلاً من ذلك ترتيبًا "نابضيًا" للعديد من هوائيات ثنائية القطب الصغيرة مرتبة أمام عاكس سلبي. يتطلب إجراء مسح مخروطي على مثل هذا النظام تحريك جميع ثنائيات الأقطاب، وهو حل غير عملي. لهذا السبب، تخلى الجيش الأمريكي ببساطة عن راداره المبكر لتوجيه المدفعية، SCR-268 . لم يكن هذا الأمر مزعجًا بشكل خاص، نظرًا لأنهم كانوا بصدد إدخال رادارهم الخاص بالموجات الميكروية في أعقاب مهمة تيزارد ، التي قدمت، من بين أمور أخرى، مغنطرون التجويف ، الذي مكّن من توليد إشارات راديوية بطول موجي سنتيمتري أقوى بعدة مراتب من أنبوب الكليسترون المستخدم آنذاك . في رادار SCR-584 الناتج ، قدم مختبر الإشعاع في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا التتبع التلقائي.

يمكن إضافة نظام توجيه آلي للهوائي، وبالتالي لأي أسلحة أو مدفعية تابعة له، إلى رادار المسح المخروطي بسهولة نسبية. ويتعين على نظام التحكم توجيه الهوائي بحيث يتم استقبال إشارة ارتداد ثابتة السعة من الهدف.

لسوء الحظ، توجد عدة عوامل قد تُغير الإشارة المنعكسة بشكل كبير. على سبيل المثال، قد تُؤدي التغييرات في اتجاه الطائرة المستهدفة إلى عرض أجزاء مختلفة من جسمها للهوائي، مما يُغير بشكل كبير كمية الإشارة المُسترجعة. في هذه الحالات، قد يُفسر رادار المسح المخروطي هذا التغيير في قوة الإشارة على أنه تغيير في الموقع. فعلى سبيل المثال، إذا "أصبحت" الطائرة فجأة أكثر سطوعًا وهي خارج المحور إلى اليسار، فقد تُفسر الدائرة الإلكترونية ذلك على أنه انحراف إلى اليمين إذا حدث التغيير عندما يكون الفص مُحاذيًا لذلك الاتجاه. يُمكن حل هذه المشكلة باستخدام شعاعي استقبال متداخلين ومتزامنين يؤديان إلى رادار أحادي النبضة ، الذي سُمي بهذا الاسم لأنه يُقارن دائمًا قوة الإشارة من نبضة واحدة مع نفسها، وبالتالي يُزيل مشاكل جميع التغييرات السريعة جدًا في قوة الإشارة.

يمكن التشويش بسهولة على رادارات المسح المخروطي . إذا كان الهدف على دراية بمعايير التشغيل العامة للرادار، فمن الممكن إرسال إشارة زائفة مُوقّتة لتنمو وتتلاشى بنفس نمط فص الرادار، ولكن بعكس قوتها. أي أن الإشارة الزائفة تكون في أقوى حالاتها عندما تكون إشارة الرادار في أضعف حالاتها (يكون الفص على "الجانب البعيد" من الهوائي مقارنةً بالطائرة)، وفي أضعف حالاتها عندما تكون الإشارة في أقوى حالاتها (موجهة نحو الطائرة). عند جمعها مع الإشارة "الحقيقية" عند مستقبل الرادار، تكون الإشارة الناتجة "قوية دائمًا"، وبالتالي لا يستطيع نظام التحكم تقدير موقع الهدف بدقة ضمن نمط الفص.

في الواقع، ليس تحقيق ذلك في الأجهزة بالصعوبة التي قد تبدو عليها. فإذا علمنا أن الإشارة تدور بسرعة 25 دورة في الدقيقة، كما كان الحال في رادار فورتسبورغ، يُصمم جهاز التشويش بحيث يتلاشى من أقصى قيمة إلى الصفر بنفس السرعة، 25 مرة في الدقيقة. بعد ذلك، كل ما هو مطلوب هو مزامنة الإشارات، ويتم ذلك بالبحث عن أدنى نقطة في الإشارة (والتي يسهل إيجادها عمومًا) وتفعيل نمط التشويش عند تلك النقطة. هذا النظام، المعروف باسم التشويش العكسي ، استخدمه سلاح الجو الملكي البريطاني عمليًا ضد رادار فورتسبورغ خلال الحرب العالمية الثانية.

من الممكن تصميم رادار بحيث لا تتحرك الفصوص في جهاز الإرسال، بل في جهاز الاستقبال فقط. ولتحقيق ذلك، يُضاف هوائي ثانٍ بفص دوار مخصص للاستقبال فقط، وهو نظام يُعرف باسم COSRO ( المسح المخروطي للاستقبال فقط ) (قارن بنظام LORO ، وهو نظام مشابه يُستخدم ضد رادارات تبديل الفصوص ). ورغم أن هذا النظام يحجب معلومات تردد الفصوص عن جهاز التشويش في الطائرة، إلا أنه لا يزال بالإمكان إرسال نبضات عشوائية، وبالتالي تضليل نظام التتبع (أو المشغل). هذه التقنية، المسماة SSW ( الموجة المربعة المكتسحة ) ، لا توفر حماية للطائرة بنفس فعالية الكسب العكسي، لكنها أفضل من لا شيء، وغالبًا ما تكون فعالة إلى حد ما.

• أساسيات الرادار