a) Comunicazioni in senso stretto b) Rilevamento ... · possono citare i radar di inseguimento,...

CAP. 1 - SCOPO, EVOLUZIONE E FUNZIONAMENTO DEL RADAR 2/121

INTRODUZIONE AL CORSO

TEMATICHE AFFRONTATE: Rilevamento con sistemi attivi

a) Comunicazioni in senso stretto b) Rilevamento (Telerilevamento, Sorveglianza, Riconoscimento)

• Metodologie e le teorie analoghe e, a volte, coincidenti


Sistemi di rilevamento • attivi: gli oggetti e/o l'ambiente circostante vengono stimolati mediante trasmissione di determinati segnali (es. radar, sonar attivi) • passivi: usano i segnali provenienti dalla emissione degli oggetti di interesse (es. telecamere, radiometri, sonar passivi).


Sistemi di rilevamento

Un sistema di rilevamento può essere fisicamente

collocato su diversi supporti (o piattaforme) fissi o

mobili, di tipo terrestre, aereo, navale o satellitare.



Finalità di un sistema di rilevamento: sorveglianza e studio dell'ambiente circostante • Sorveglianza: rivelazione (detection) e localizzazione di oggetti come ad es. aerei, navi etc. In fase di scoperta dell'oggetto: rivelazione e prima localizzazione; in fase di inseguimento: estrapolazione della posizione dell'oggetto in istanti successivi in modo da realizzare un tracciamento (tracking) con stima della posizione e della velocità; identificazione dell'oggetto.



• Una funzione di sorveglianza può essere necessaria ad es. per il controllo del traffico aereo o marittimo o per la difesa aerea territoriale • Analisi dell'ambiente attraverso un sistema di telerilevamento • Generare mappe e immagini dell'ambiente circostante • Estrarre parametri fisici di interesse


Principio di funzionamento del radar

Trasmittente

Ricevente

Distanza del bersaglio

Segnale trasmessoAntenna Bersaglio

Elaborazione dell’eco edestrazione dell’informazione del bersaglio


Principio di funzionamento

Rx

Utente

Tx

Elaborazione segnale

Elaborazione dati

Duplexer

Tipico schema a blocchi di un radar


APPLICAZIONI DEI RADAR

La sigla RADAR è l'acronimo di RAdio Detection And

Ranging. Un radar è in grado di misurare almeno la distanza (ranging) di oggetti presenti nell'ambiente circostante.

Elenco di tipiche applicazioni di sistemi radar è:

a) Radar di sorveglianza;

b) Radar di inseguimento;

c) Radar ad altissima risoluzione per formazione di immagini;

d) Radar altimetri;

e) Radar meteorologici.


FREQUENZE RADAR

Denominazione delle gamme di

frequenza (IEEE Std. 521,

1984)

Banda Frequenze HF 3 - 30 MHz

VHF 30 - 300 MHz UHF 300 - 1000 MHz

L 1 - 2 GHz S 2 - 4 GHz C 4 - 8 GHz X 8 - 12 GHz Ku 12 - 18 GHz K 18 - 27 GHz Ka 27 - 40 GHz V 40 - 75 GHz W 75 - 110 GHz

mm 110 - 300 GHz


Banda Frequenze

VHF 138 - 144 MHz VHF 216 - 225 MHz UHF 420 - 450 MHz UHF 890 - 942 MHz

L 1.215 - 1.4 GHz S 2.3 - 2.5 GHz S 2.7 - 3.6 GHz C 5.25 - 5.85 GHz X 8.5 - 10.68 GHz

Ku 13.4 - 14 GHz Ku 15.7 - 17.7 GHz K 24.05 - 24.25 GHz Ka 33.4 - 36 GHz W 59 - 64 GHz W 76 - 81 GHz W 92 - 100 GHz

mm 126 - 142 GHz mm 144 - 149 GHz mm 231 - 235 GHz

Frequenze assegnate alla Radiolocalizzazione nelle Regioni 1 e 2

FREQUENZE RADAR


USO DELLE GAMME DI FREQUENZA

Onde corte (HF)

Usate ai primordi del radar, ospitano adesso solamente i radar OTH; permettono infatti portate elevate grazie ai meccanismi della propagazione ionosferica.

VHF ed UHF (30 - 300 MHz e 300 MHz -1 GHz) Consentono la generazione di elevate potenze e quindi grandi portate. A queste frequenze i sistemi di riduzione della RCS (Radar Cross Section) (tecniche Stealth) non sono molto efficaci. Inoltre i fenomeni meteorologici non costituiscono un problema.

Banda L (1 - 2 GHz) Permette buone prestazioni MTI (Moving Target Indicator), e l'attenuazione dovuta alla precipitazione è di solito molto modesta. Le applicazioni più importanti sono la sorveglianza aerea a lunga distanza (400 km) ed i radar secondari.



Banda S (2 - 4 GHz)

Rispetto alla banda L ha una migliore risoluzione angolare. In questa banda troviamo radar primari per la sorveglianza dell'area di manovra terminale, radar per la difesa aerea a media e grande distanza, radar meteo e radar militari 3D. L'attenuazione atmosferica, anche in presenza di pioggia, è di norma tollerabile.

Banda C (4 - 8 GHz)

Costituisce un compromesso tra la banda X e la banda S. In generale si hanno applicazioni di sorveglianza a breve e media distanza ed inseguimento. Un'applicazione di rilievo è costituita dai radar meteo utilizzati in Europa.



Banda X (8 - 12 GHz)

Grazie alla piccola lunghezza d'onda l'uso di questa banda permette la realizzazione di apparati di dimensione, costo e peso ridotti, ideali per applicazioni mobili. Tuttavia la presenza di pioggia ne può pregiudicare le prestazioni. Per quanto riguarda le applicazioni si possono citare i radar di inseguimento, quelli avionici multifunzionali, quelli di navigazione e quelli di sorveglianza a breve portata.

Bande K, Ku e Ka (12.5 - 40 GHz) A queste frequenze il clutter da pioggia e l'attenuazione costituiscono un fattore limitante. Un aspetto positivo è dato dalla possibilità di realizzare antenne con fasci estremamente stretti. Può quindi essere impiegata con successo per i radar per il controllo del traffico sulla superficie aeroportuale (banda Ku) e per i radar multifunzionali avionici.



Lunghezze d'onda millimetriche (sopra 40 GHz)

Questa banda è caratterizzata da un'elevata attenuazione, che

limita fortemente la portata specialmente in pioggia. Esiste una

finestra di utilizzo intorno a 94 GHz, che è stata utilizzata nel

miniradar sviluppato ed installato nel 2001 in forma operativa

per il controllo del traffico sulla superficie aeroportuale.


CENNI STORICI e SVILUPPO DEL RADAR

Scoperta dei principi base (fine del XIX secolo)

Prime osservazioni condotte da Heinrich Hertz sulla

riflessione delle onde elettromagnetiche da parte di corpi

metallici (1886) (esperimenti condotti ad una frequenza di

ben 450 MHz).



Christian Hülsmeyer di Düsseldorf, il 30 Aprile 1904

ottenne il brevetto n. 165546 relativo al sistema da lui

sviluppato per rilevare la presenza di oggetti metallici

(navi) a mezzo di onde elettriche. La prima dimostrazione

ebbe luogo il 18 Maggio 1904 a Colonia, con rilevamento

di una nave a distanze massime dell'ordine di uno o due

km, mediante un sistema bistatico ad onda continua

operante a lunghezze d'onda di circa mezzo metro.


Disegno illustrativo del primo brevetto sui radar (10 giugno 1904)

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Primo brevetto di un sistema per rilevare la presenza di oggetti metallici (navi) a mezzo di onde elettriche

KAISERLICHES PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT N! 165546 . KLASSE 7~ / lj ~ .J~f.trJ

CH R. HULSMEYE R IN DOSSELDORF. Verfahren. um entfernte metallische Gegenstande mittels elektrlscher Wellen

einem Beobachter zu melden.

PateaUert l m Deulschea Retche vom 30. Aprii 1904 ab.

Fif!. r.

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Marconi, in un discorso alla IRE nel 1922,

prefigurò un utilizzo pratico degli

esperimenti di Hülsmeyer per la

sicurezza della navigazione.



I primi esperimenti che dimostrarono, oltre alla capacità di

rivelazione, la misura della distanza furono condotti in

Inghilterra da Appleton e Barnett nel Dicembre 1924 usando

quello che oggi chiameremmo un radar bistatico ad onda

continua modulata in frequenza, nel quale la frequenza di

battimento tra il segnale diretto e quello riflesso dalla ionosfera

era proporzionale all'altezza dello strato ionosferico riflettente.

Nel 1925/26 gli statunitensi Breit e Tuve utilizzarono quello che può essere considerato il primo radar ad impulsi per misurare la distanza degli strati ionosferici.



Gli anni '30 e il secondo conflitto mondiale

Durante gli anni '30 apparve evidente che la minaccia

rappresentata dai bombardieri era difficilmente contrastabile

senza un sistema capace di rivelarli e localizzarli a grandi

distanze. Tale problema era particolarmente sentito in

Inghilterra, per la quale la minaccia principale consisteva nei

bombardamenti aerei. In un discorso di Churchill alla Camera

dei Comuni il 14 Marzo 1933 veniva espressa la necessità di

disporre di uno strumento per migliorare la difesa aerea.




Early W arning di tipo "Passivo, Acustico" (fine anni '20)

The 'early warning' concrete acoustic mirror, 200 ft aperture, built near Dungeness in the late 20s. lt had a maximum range of about 15 miles



Gli anni '30 e il secondo conflitto mondiale Gli Inglesi negli anni 1935-40 grazie alla maturità della loro cultura

industriale, ed alla capacità di collaborazione fra enti ed istituzioni

diverse - militari, civili, accademiche e industriali – furono i primi a mettere

in campo un’adeguata difesa aerea. Sollecitato dallo Scientific

Survey of Air Defense, ovvero Comitato Tizard dal nome del suo

Presidente il Colonnello Henry T. Tizard, il 27 Febbraio 1935.

Watson-Watt presentò un memorandum dal titolo “Intercettazione e

localizzazione di un aeroplano a mezzo radio” nel quale si presentava un

sistema radar per rivelare aeromobili e localizzarli in tre dimensioni.




Solo cinque mesi dopo (Luglio 1935) Watson-Watt ed i suoi colleghi

dimostrarono la rivelazione e la misura della distanza di aeromobili.

Watt utilizzò un trasmettitore a onde corte, che trasmetteva un’onda

continua sulla lunghezza d’onda di 49 metri. L’esperimento

consistette nel far volare un bombardiere Heyford, al centro del

fascio direzionale trasmesso, ricevendo i segnali a Weedon.

L’esperimento ebbe successo, quindi si decise di procedere. Fu così

creato un piccolo laboratorio, in una località segreta (Orfordness,

Suffolk), diretto da Watson-Watt.




Tale radar, operante inizialmente a 6 MHz e poi a 12 MHz ed a 25

MHz, costituì la base del sistema di difesa aerea (il primo del

mondo) denominato Chain Home, il quale funzionò ininterrottamente

durante la seconda guerra mondiale.

Inoltre Sir Watson-Watt intuì l’utilizzo della tecnica ad onda continua

come alternativa a quella ad impulsi con il vantaggio di poter

misurare i bersagli mobili senza far apparire gli ostacoli terrestri fissi,

concentrandosi quindi su ciò che interessa maggiormente.


UNA DELLE PRIME

ESPERIENZE RADAR A

BRAWDSEY IL 22

NOVEMBRE 1938.

LO SCHERMO MOSTRA

UNA FORMAZIONE DI 24

BOMBARDIERI BLENHEIM

PROVENIENTI DAL MAR

DEL NORD.

L’APPARECCHIO DI

TRASMISSIONE DELLE

ONDE RADAR DELLA

HOME CHAIN.


LE ZONE DI COPERTURA DELLA RETE DI DIFESA

AEREA INGLESE (ESTERNA DELLA CHAINE HOME;

INTERNA DELLA CHAINE HOME LOW).

o

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GLI ANNI '30 E L’ITALIA Già nel 1935 esistevano in Italia le basi teoriche e

sperimentali per la realizzazione di radar sia in onda

continua che ad impulsi.

Presso il Regio Istituto Elettro Comunicazioni (RIEC) della

Marina con sede a Livorno il Prof. Ugo Tiberio proseguì gli

studi, i quali tuttavia non generarono mai prodotti

significativi se non la realizzazione del “Gufo” dopo la

sconfitta di Capo Matapan nel 1941.



GLI ANNI '30 E L’ITALIA

Il Gufo era un’apparecchiatura radar per la scoperta di

navi o aerei, che operava con una lunghezza d’onda di 70

cm, con portata di 8-12 Km su navi e 80 Km su aerei.

Questi strumenti furono in dotazione alle unità italiane

praticamente dal 1943.

Il Prof. Tiberio è noto come il padre del radar italiano, ed è stato commemorato il 24 Ottobre 1998 dall’Università di Tor Vergata – DISP e Centro Vito Volterra, dalla Marina Militare Italiana e dall’Amministrazione Comunale di Campobasso, città natale di Ugo Tiberio.



GLI ANNI '30 E L’ITALIA



GLI ANNI '30 - GERMANIA E USA In Germania il primo avvistamento di bersagli navali (e,

casualmente, aerei) avvenne il 24 Ottobre 1934 con un apparato a

magnetron operante sui 600 MHz. Anche in Italia, Giappone,

Francia, Olanda ed Ungheria si svilupparono in quegli anni apparati

radar. Oltre l'Atlantico, negli Stati Uniti, gli esperimenti dapprima con

radar ad onda continua (Taylor, Young e Hyland, 1932-34) e poi con

radar ad impulsi furono condotti dal Naval Research Laboratory; i

primi echi impulsati furono osservati il 28 Aprile 1936 alla frequenza

di 28.3 MHz ed il 22 Luglio 1936 alla frequenza di 200 MHz.


• •

Arbe·i tsschem.a P arasi t , ,Klein-Heidelberg' ·

gegen IDri t ische Chain Home o 20-28 MHz

.·southwold • •• • • •

• Colchester • • • • •

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• •

• • • • • • • • • • • • • •

Zeichnung 18

BISTATIC OPERATION OF A GERMAN "KLEINE HEIDELBERG" RECEIVER WITH A BRITISH "CHAIN HOHE" TRANSHITTER DURING WORLD WAR II

M R B DUNSMORE


Il "Freya" uno dei primi radar

tedeschi, utilizzava una lunghezza

d'onda di 2.4 m e poteva localizzare

un aereo a circa 70 chilometri


IL PRIMO RADAR TEDESCO DI

ALLARME AEREO.

PRODOTTO DALLA TELEFUNKEN,

QUESTO RADAR “WÜRZBURG”

PERMETTEVA DI LOCALIZZARE

UN AEREO E INDICARNE LA

DISTANZA, LA DIREZIONE E

L’ALTEZZA

(f = 560 MHz. θ ≅ 15° o 20°).


IL RADAR TEDESCO

“WÜRZBURG GIGANTE”.

QUESTO APPARECCHIO

INSIEME CON LA “FREYA”

COSTITUIVA IL SISTEMA

DI GUIDA PER LA

CACCIA NOTTURNA

“HIMMELBETT”.


IL MAGNETRON E IL 2° CONFLITTO

L'avvicinarsi della guerra provocò una accelerazione dello

sviluppo di apparati radar. Le prime installazioni operative per

protezione antiaerea furono realizzate nel 1937 ancora dagli

inglesi (la già citata Chain Home); a queste seguirono i due

sistemi americani SCR-268 (1938) e CXAM (1941). In questo

periodo venne introdotto il magnetron, con catodo a cavità

multirisonanza, costruito da Randall e Booth presso l'università di

Birmingham e funzionante il 21 Febbraio 1940, producendo ben

400 W ( e successivamente oltre 1 kW) in onda continua ad una

lunghezza d'onda compresa tra 9 e 10 cm.


Rotta di aerei giapponesi rilevata dal radar SCR-270 della postazione di

OPANA il 7 dicembre 1941 alle ore 7,02 in occasione dell’attacco giapponese a PEARL HARBOUR.

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Track Of Japanese Aircraft Detected By SCR-270 Radar

7:02A.M. Sunday, December 7, 1941 Opana Station, Oahu, Hawaii


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SCR·270 radar ((ID" configuration)- the U.S. radar that detected incomingjapanese aircraft on the moming ofDecember 7, 1941


IL RADAR SCR-584, PROGETTATO DAL RADIATION LABORATORY DEL MIT


IL SECONDO CONFLITTO MONDIALE

Durante la seconda guerra mondiale si svilupparono con

grandissima velocità tecniche e sistemi quali le microonde

(si arrivò, già nel 1943, a radar avionici operanti a 9-10

GHz), il Pulse-Doppler e il MTI (Moving Target Indicator).

L’impegno di spesa per lo sviluppo del radar negli USA.



IL DOPOGUERRA

Tra le principali tappe tecnologiche del dopoguerra si

possono ricordare l'introduzione del tubo amplificatore a

microonde chiamato klystron negli anni '50, e quindi dei

tubi ad onda progressiva (TWT).



IL DOPOGUERRA

Dopo la fine del conflitto vennero sistematizzate le teorie

di base (Marcum, Swerling) e le tecnologie, in particolare

quelle a microonde (trasmettitori, ricevitori, antenne a

microonde); in tale quadro vanno citati i 19 volumi del

Radiation Laboratory (MIT, Massachussetts Institute of

Techonology, USA).


Sviluppi del radar fino ai nostri giorni I principali sviluppi negli anni '60 e '70 hanno riguardato: Catene ricetrasmittenti sufficientemente stabili per

una ottima prestazione MTI, capace cioè di consentire la rivelazione di bersagli aerei in presenza di forti echi fissi;

Sistemi di inseguimento precisi e relativamente

immuni ai disturbi che utilizzano la tecnica monopulse;

Radar avionici con capacità MTI e pulse doppler;


Sviluppi del radar fino ai nostri giorni Prime applicazioni dell'elaborazione numerica dei

segnali (DSP, Digital Signal Processing) e dell'elaborazione automatica dei dati radar;

Radar meteorologici, generalmente privi delle

capacità Doppler; Radar ad antenna sintetica (SAR, Synthetic Aperture

Radar) su piattaforma avionica.


Nei due decenni successivi (1980-2000)

SISTEMI: ⇒ SAR su satellite;

⇒ Radar meteo con capacità Doppler e,

successivamente, polarimetrica; radar "wind profiler" che misurano vento in quota;

⇒ Radar 3D (cioè capaci di localizzare in tre dimensioni)

per la difesa aerea;

⇒ Radar anticollisione e ICC (Intelligent Cruise Control) per le autovetture.


Nei due decenni successivi (1980-2000)

TECNOLOGIE:

• Grande sviluppo delle tecniche DSP, tra le quali, gli elaboratori MTD (Moving Target Detector) e MTI adattivo;

• Tecniche di tracciamento (TWS: Track - While - Scan) completamente automatiche;

• Tecniche di rice-trasmissione in gamma millimetrica (particolarmente intorno a 35, 76, 94 GHz);

• Tecniche di estrazione automatica della posizione, intensità ed estensione del bersaglio;

• Tecniche di riconoscimento (identificazione/classificazione) dei bersagli;

• Tecniche per trasmettitori modulari allo stato solido; • Antenne a schiera (phased array) .


Aggiornamento dati missile

Inseguimento

Ricerca assistita

Rivelamento missile

Ricerca volumetrica

Attacco in massa

Radar APG-77 del F-22


Antenna PSR G-

Antenna SSR ALE-

Installazione PSR + SSR


Antenna ad array planare ALE 3x5


Trasmettitore (16 HPA)


Ricevitore

LAYOUT DELL’ ARMADIO


MISURA DELLA DISTANZA

λ

τ

Esempio di forma d'onda emessa dal radar



Rx

TxR1

2R

o

Principio di funzionamento di un radar bistatico



1 2R Rt

c∆

+=

in cui c è la velocità della luce

(la velocità della luce nell'atmosfera dipende dalla

composizione dei gas e dalle condizioni fisiche; generalmente

si assume eguale a quella nel vuoto, la quale come noto vale

2.997925 • 108 m/s; in pratica si assume c 300 m sµ= ).


MISURA DELLA DISTANZA IN UN RADAR MONOSTATICO

o

Tx

Rx

R

2Rtc

∆ =

1 s di ritardo corrisponde a 150mµ


TIPICO SCHEMA A BLOCCHI DI UN RADAR CW

Utente

Segnale C.W. trasmesso

Eco(con effetto doppler)


MISURA DELLA DISTANZA PER UN RADAR CW

frequenza

tempo

RICEVUTA TRASMESSA

t=2R/c


FORME D'ONDA DI UN TIPICO RADAR DI SORVEGLIANZA IMPULSATO

sec1µ 1 msec

Tempo

Eco bersaglio

1 MW potenza di picco

1 kW potenza media

sec1

Pote

nza

10 W-12

Duty cycle =0.001


PARAMETRI DI UNA FORMA D'ONDA RADAR E RISOLUZIONE IN DISTANZA

t t2 2

1

1

2R / c

2R / c

Tx

Rx Rx

A t( )

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