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Telecomunicazioni per l’Aerospazio

P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” Radar e Link Budget - 1

Radar e Link Budget



RADAR

dio

etection

nd

anging

Il RADAR serve allora a:RIVELARE AL PRESENZA E MISURARE LA DISTANZA

facendo uso di onde radio.

Attualmente ciò che si chiede ad un radar è molto di più:

- Misure di posizione (distanza, azimuth, quota)- Misure di velocità- Riconoscimento degli echi- Costruzione di mappe del territorio

Applicazioni possibili:

• sorveglianza: rivelazione e localizzazione di oggetti (ad es. aerei, navi etc.);

• monitoraggio ambientale: studio della terra, analisi delle risorse etc.;



Radar primario

Radar Primario e Secondario

Radar secondario

Tipica installazione di radar per Controllodel Traffico Aereo Civile:

Sfrutta risposta del traspondera bordo dell’aeromobile

Sfrutta riflessione del segnaleda parte dell’aeromobile

da: "A Family of Radars for Advanced Systems", E. Giaccari, C.A. Penazzi, Alta Frequenza, Aprile 1989



Combined display of ATCAS (FIR of Rome)

Air TrafficControlAutomated System

Flight Information Region

of Rome

Radar: Esempio uso in ATC



Applicazioni dei radarI radar possono essere classificati in base a:

► la funzione sviluppata

High-res (<1 m) DRA X band image (rural scene) British Crown Copyright 1997/DERA

From: C.J. Oliver, S. Quegan, ”Understanding Synthetic Aperture Radar Images”, Artech House, 1998

European Multifunction Phased Array RadarFrom: E. Giaccari, C.A. Penazzi - “A Family of Radars for Advanced Systems”, Alta Frequenza, April 1989

radar meteo di San Pietro Capofiume (BO)

-Radar di avvistamento-Radar costieri-Radar meteorologici-Radar aeroportuali (TAXI)-Radar di precisione per atterraggio (PAR)-Radar di avvistamento precoce (Early Warning)-Radar di navigazione-Radar anticollisione-Radar portuali-Radar di inseguimento-Radar di guida-Radar altimetri-Radar di immagine-Radar multifunzionali



-Radar terrestri (Ground-Based) (fissi/trasportabili/mobili)-Radar navali (Ship-Borne)-Radar avionici (Air-Borne)-Radar satellitari (Space-Borne/Space-Based)

Courtesy of FIARGRIFO Multimode Radar

SOSTAR-X

EMPAR

Stand Off Surveillance and Target Acquisition Radar

http://www.skyrocket.de/space/

COSMO-SkyMed

TerraSAR-X

AWACS: Airborne Warning

and Control System

Radar su piattaforma mobile



interrogazioneriflessione

Il Radar Primario• Principio di funzionamento:

– Il radar invia un impulso (ad esempio di forma rettangolare) su una frequenza portante assegnata

– L’impulso trasmesso viene riflesso dal corpo dell’aeromobile: una parte dell’energia che raggiunge l’aeromobile viene riflessa indietro verso il radar (back-scattering) mentre la parte restante viene inviata in altre direzioni

– La ricezione dell’impulso riflesso consente di rivelare l’aereo

f0

f0



interrogazione

risposta

Il Radar Secondario• Principio di funzionamento:

– L’interrogatore invia una coppia di impulsi alla frequenza di 1030 MHz:– Il trasponder di bordo riceve la coppia di impulsi e capisce di essere interrogato– Dopo un tempo di latenza concordato (50 s), il trasponder invia indietro una

sequenza di impulsi sulla frequenza di 1090 MHz

1030 MHz

1090 MHz



Tx

LNA

LO

Mod Trigger

Display

IF

Dup

Det V Amp

AntennaControlMech Angle Data

near by clutter

Range

Filtro IF: matched filter

informazione quantizzata: •0-assenza bersaglio;•1-presenza bersaglio;Confronto del segnale ricevuto ed elaborato con una soglia VT:

soglia fissata in modo da assicurare una Pfa costante e preassegnato.

Schema del radar



Localizzazione: misura della distanza• Segnale trasmesso: impulso con durata e lunghezza d’onda della portante (frequenza portante fc=c/)

• Segnale ricevuto: eco retrodiffusa da bersaglio a distanza R

• LOCALIZZAZIONE •distanza bersaglio-antenna radar (range) è misurata valutando il tempo di ritardo dell’eco rispetto al tempo di trasmissione dell’impulso

• angoli elevazione e azimuth sono misurati a partire dalla posizione attuale dell’antenna posta in rotazione ;

2tcR

R: range (metri);c: velocità della luce (circa 2.998·108 m/s); t: ritardo (secondi);

y

x

z

T

R

Oantenna

cRt 2

TxRx-T

t

impulso trasmesso eco dal

bersaglio

Tx

t

impulso trasmesso



RIVELAZIONE la presenza del bersaglio è rivelata rivelando la presenza dell’eco relativa

Come fa il radar a rivelare la presenza dell’eco relativa ad un bersaglio?

il segnale ricevuto, opportunamente elaborato, è confrontato con un livello di soglia:•segnale ricevuto sotto la soglia: bersaglio assente•segnale ricevuto sopra la soglia: bersaglio presente

La rivelazione Radar

PROBLEMA: il segnale ricevuto è dato dalla somma dell’eco dal bersaglio (componente utile da rivelare) e da segnali di disturbo (indesiderati):

•Noise: rumore termico in genere di origine interna al ricevitore;•Clutter: echi da bersagli ambientali quali terra, mare, pioggia;



Rivelazione (II)Curve di Marcum

Ad es.: per Pfa=10-6 e Pd=0.9 SNR=13 dB.

2

2

2 n

TV

fa eP

SNRVerfP

n

Td 2

121

• Disturbo gaussiano potenza n2;

• Bersaglio con dato SNR;

dipende dalla soglia VT e dalla potenza del rumore n2:

fissato il valore di Pfa desiderata e nota la potenza di rumore n

2 risulta individuato il livello di soglia VT.

dipende dal rapporto fra la soglia VT e il valore rms di rumore n e dal rapporto segnale a rumore SNR.

PROBABILITA’ DI FALSO ALLARME

PROBABILITA’ DI RIVELAZIONE

Nota la Pfa desiderata e il minimo valore di Pd che si intende garantire si legge SNRmin necessario per garantire le prestazioni volute in corrispondenza delle quali definire la portata

Merrill Skolnik, “Introduction to radar systems”, McGraw-Hill, 1984;



• I due bersagli sono discriminati (“risolti”) se è verificata la condizione:

Condizione operativa: sono presenti due bersagli T1 e T2 rispettivamente a distanza R1 e R2.

DOMANDA: il radar è in grado di discriminare i due bersagli?

(cioè il radar vede i due bersagli come due echi distinti?)

RISPOSTA: dipende dalla distanza relativa dei due bersagli (R2-R1) comparata con la risoluzione in distanza (r) del radar.

ecoduratacRRecoduratatt21212

cRt 11 2

cRt 22 2

Tx Rx-T1 Rx-T2

t

impulso trasmesso

eco da T1eco da T2

ecoduratacr2

Risoluzione in distanza



ad es.: con =1s r=150m: bersagli a distanza relativa minore di 150m sono visti dal radar come un unico bersaglio.

DOMANDA: Quale è la durata dell’eco dal generico bersaglio?

RISPOSTA: dipende dalla banda della forma d’onda trasmessa.

Bccr

22

• Forma d’onda trasmessa=impulso semplice non codificato di durata

• Forma d’onda trasmessa=chirp di durata e di banda B

•In ingresso al filtro adattato alla forma d’onda trasmessa: impulso rettangolare di durata ;

•In uscita al filtro adattato alla forma d’onda trasmessa: impulso triangolare di durata (durata a 3 dB);

Durata eco valutata in uscita al filtro adattato pari a 1/B

•In ingresso al filtro adattato alla forma d’onda trasmessa: impulso chirp di durata ;

•In uscita al filtro adattato alla forma d’onda trasmessa: impulso sinc di durata 1/B (durata a 3 dB);

Durata eco valutata in uscita al filtro adattato pari a 1/B=t/RC (RC: Rapporto Compressione del chirp)

Bcr

2

ad es.: con =100 MHz r=1.5 m: bersagli a distanza relativa minore di 1.5 m sono visti dal radar come un unico bersaglio.

In generale indipendentemente dalla forma d’onda trasmessa la risoluzione in distanza dipende unicamente dalla banda (r=c/2B).

Risoluzione in distanza (II)



•La distanza è misurata in modo non ambiguo se è verificata la condizione:

•la massima distanza non ambigua è quindi data da

•bersagli a distanza R>Rna sono visti dal radar a distanza R’=R mod(Rna)

• Segnale trasmesso: sequenza di impulsi (ciascuno durata e lunghezza d’onda ) con: - T periodo di ripetizione dell’impuso (PRT: Pulse Repetition Time);- 1/T frequenza di ripetizione dell’impulso (PRF: Pulse Repetition Frequency);

=/T DUTY CICLE ad es. =1s & T=1ms =0.001

Tx

t

impulso trasmesso n°1

T

Tx


il radar sta ricevendo …..

DOMANDA: il radar è in grado di misurare in modo non ambiguo il range di un bersaglio posto a distanza R?

RISPOSTA: dipende dalla distanza del bersaglio R comparata alla massima distanza non ambigua Rna.

A

t


T

B


A1A2

t1 t2’

t2=T+ t2’

eco relativa impulso tx A target a R1=ct1/2

eco relativa impulso tx A target a R2=ct2/2 2

cTRTt

2cTRna

ad es.: con T=1ms Rna=150Km: bersagli a distanza maggiore di 150 Km sono visti dal radar su tracce successive

Ambiguità in distanza



• Sistema radar usa antenne direttive (tutta la potenza radiata in una direzione il radar riesce a vedere a distanza maggiore).

Forme fascio d’antenna

• Fan beam

•fascio assialmente simmetrico;

•larghezza del fascio dell’ordine di pochi gradi o meno;

•utilizzati quando è necessario misurare continuamente entrambi azimuth e elevazione del bersaglio (ad es. per inseguimento);

•fascio largo in una dimensione e stretto nell’altro;

•utilizzato quando ci sono vincoli sul max scan time;

•radar di ricerca ground based utilizzano fasci stretti in azimuth e larghi in elevazione;

DOMANDA: come fa il radar a rivelare e localizzare bersagli posti in una qualunque posizione angolare?

RISPOSTA: scansione ambiente tramite rotazione azimutale dell’antenna (scan rate atra 1 e 60 rpm).

• Pencil beam

Localizzazione: misura dell’angolo



• Localizzazione angolare del bersaglio: direzione del bersaglio direzione del boresight d’antenna.

DOMANDA: il radar è in grado di discriminare i due bersagli? (cioè il radar vede i due bersagli come due echi distinti?)

RISPOSTA: dipende dalla separazione angolare dei due bersagli comparata con la larghezza del fascio d’antenna A:• < A: il radar vede un solo bersaglio;• A: il radar discrimina i due bersagli;

Cella di risoluzione spaziale•Risoluzione in range (banda impulso trasmesso)

•Risoluzione in angolo (larghezza del fascio d’antenna)

c/(2B)

• Condizione operativa: presenti due bersagli T1 e T2 entrambi a distanza R separati azimutalmente di .

Risoluzione in angolo



Tipologie di antenne • Antenne lineari:

- dipoli herziani

- array di dipoli (Yagi, Logaritmiche, … )

• Antenne a telaio:

- Anelli chiusi (loop)

• Antenne ad apertura:

- paraboloidi

- array a slotted waveguide

- phased arrays



Pattern di Antenne ad aperturaTrasformata di Fourier della corrente sull’apertura di antenna

2

2

2

2

sinsin2

2

2

2

),( ),(),(

x

x

y

y

ea

x

x

y

y

L

L

L

L

yxkjrkj

L

L

L

L

yxRkj dydxeyxIedydxeyxI

exaxrkj

L

L

ykjL

L

L

xkjL

rkj

L

L

L

L

yxkjLL

LL

kLkLe

dyeyrectdxexrectedydxeyrectxrect

yrectxrectyxIy

y

e

y

x

x

a

x

x

x

y

y

ea

yx

yx

sin2

sincsin2

sinc

)()()()(

)()(),(

2

2

sin2

2

sin2

2

2

2

sinsin

a

e

yyeeey

xxaaax

LLkkL

LLkkL

2sinsin2

2sinsin2



Fascio di antenna

ye L

aa L

xL

yLL

Apertura approx. di antenna

87.9)(1722.018.0031.0 rad

Lye

987.0)(01722.08.1

031.0 radLx

a

Esempio



Antenne a riflettore parabolico



Antenne paraboliche a microonde



Guadagno di Antenne ad apertura



Pattern di radiazione di antenna

•Apertura del fascio in azimuth A e in elevazione A: ampiezza dell’intervallo angolare che corrisponde ad una diminuzione di 3dB (metà potenza) della direttività o del guadagno rispetto alla direzione di max (Boresight) nel piano azimutale (A/L: L dim. antenna in azimuth) e di elevazione (A /L: L dim. antenna elevazione).

• potenza o intensità di radiazione in funzione delle coordinate angolari (in genere due);



Esempi di pattern di radiazione



SAR: Synthetic Aperture Radar

(Radar ad Apertura Sintetica) tipo di radar di immagine

Radar d’immagineOBIETTIVO: ottenere immagini (mappe 2D) radar di zone/bersagli di interesse.

• Immagine radar è una mappa bidimensionale in livelli di grigio (livelli di potenza);

• Ciascun pixel/cella di risoluzione dell’immagine radar ha una intensità proporzionale alla radar cross section degli scatteratori contenuti nel pixel/cella in considerazione;

• Cella di risoluzione definita dal potere risolutore nelle due direzioni range (slant o ground) e cross-range (azimuth).



Geometria di osservazione del sistema SAR

Esempio: osservazione da satellite

•Antenna SAR su piattaforma mobile (aereo-satellite);

•La piattaforma segue una traiettoria parallela alla superficie terrestre;

•L’antenna SAR guarda di lato (side-looking) ed illumina una striscia di supeficie (modalità stripmap);

•Sono trasmesse forme d’onda a larga banda: ciascun punto è illuminato da una sequenza di impulsi nel tempo in cui permane nel fascio d’antenna.

Direzione slant-range

Direzione cross-range

Direzione ground-range



Focalizzazione SARL’elaborazione azimutale è detta focalizzazione SAR, il coefficiente del termine di fase quadratico, , parametro di focalizzazione

- la focalizzazione SAR è equivalente alla sintesi di una antenna larga Dsdalla elaborazione coerente degli impulsi di ritorno da un dato scatteratore visto durante il moto del fascio.

- Il moto della piattaforma non è fondamentale,

R0h

R(x)

x



Satellite

Radar: Esempio – Envisat (I)



Global monitoring: VV o HH, 1000 m resolution, 405 Km swath widthWide Swath:VV o HH, 150 m resolution, 405 Km swath widthImageVV o HH, <30 m resolution, fino a 100 Km swath widthAlternating Polarization:VV o VH o HH/HV, 30 m resolution, 100 Km swath widthWaveVV o HH, <10 m resolution, 55 Km fino a 1010 Km

ASAR: Advanced Synthetic Aperture Radar

ASAR-Antenna

Radar: Esempio – Envisat (II)



ASAR-Penisola AntarticaASAR- Hurricane Isidore21 Settembre 2002

ASAR - Brazil

ASAR -Mare del Nord21 Agosto 2002

ASARimages

Radar: Esempio – Envisat (III)



Equazione radar (I)

24),(

),,(R

GPRp t

t

a) radarbersaglio a distanza R con antenna direttiva:

pt (R,,) : densità di potenza a distanza R in direzione (,).

Pt : potenza irradiata dall’antenna (potenza di picco).

G (,) : guadagno d’antenna in direzione (,).

b) potenza intercettata dal bersaglio con Radar Cross Section e reirradiata isotropicamente:

pt (R,,) : densità di potenza a distanza R in direzione (,).


G(,) : guadagno d’antenna in direzione (,).

: Radar Cross Section (RCS) del bersaglio.

24

),(),,(

RGP

Rp tt

Costruzione dell’equazione radar



Equazione radar (II)

22 44),(

),,(RR

GPRp t

r

c) bersaglio a distanza Rradar: pr (R,,) : densità di potenza al radar dalla distanza R in direzione (,).



: radar cross section bersaglio.

Pr(R,,) : potenza al radar dalla distanza R in direzione (,).



: radar cross section bersaglio.

Ae(,) : area efficace d’antenna in direzione (,).

d) potenza intercettata dall’antenna:

•La portata radar Rmax (maximum radar range) è la distanza oltre la quale il bersaglio non può essere rivelato: questa condizione si verifica quando l’eco ricevuta ha potenza pari al minimo livello rivelabile (Pr=Smin).

),(44

),(),,( 22

et

r ARR

GPRP



Equazione radar (III)

4

2

GAe2

4

eAG

2

4 gAG

Guadagno:

Area equivalente:

ge AA

43

22

)4(),(),,(R

GPRP tr



Portata radar

BFkTRGP

PP

NS t

n

r

r 043

22

4

BFkTPn 0

• Il segnale ricevuto è costituito dalla somma del segnale utile (eco dal bersaglio di interesse) e dal rumore termico del ricevitore (sempre presente: trascurati al momento disturbi provenienti dall’esterno)

Pn: potenza rumore rx riportata in antenna;

k: costante di Boltzmann;

T0: 290K;

B: banda del ricevitore;

F: figura di rumore del ricevitore;

RAPPORTO SEGNALE-RUMORE

• La portata radar Rmax può essere definita in funzione del minimo rapporto S/N, (S/N)min, che consente un’opportuna rivelzione:

41

min0

3

22

max 4

NSBFkT

GPR t

PORTATA RADAR

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