Università degli Studi di Roma Tor Vergata. Tesi di Laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni

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1 Università degli Studi di Roma Tor Vergata Tesi di Laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni Applicazione della banda millimetrica al monitoraggio della superficie marina Relatore Prof. Gaspare Galati Correlatore Ing. Mauro Ferri Candidato Danilo Zaccariello Anno Accademico 2004/2005

2 CAPITOLO 1: Introduzione 1.1 Scopo del lavoro Il presente lavoro mira a studiare la realizzabilità di un dispositivo in grado di monitorare la superficie del mare (attraverso onde elettromagnetiche) al fine di rivelare la presenza di oggetti che possano essere di interesse per l utilizzatore. In particolare si vuole studiare la fattibilità di un sensore montato su piattaforma volante di tipo unmanned che sia in grado di rilevare la presenza di naufraghi e/o relitti in mare. Per raggiungere un tale obiettivo è necessario disporre di uno strumento caratterizzato da una risoluzione superficiale molto elevata, in grado di fornire immagini della zona osservata in tempo reale e capace di sorvegliare vaste aree costiere, anche in condizioni atmosferiche avverse (compatibilmente con la sicurezza del volo della piattaforma). Per questi motivi si pensa di realizzare un telerilevamento a bassa quota attraverso le piattaforme UAV (Unmanned Aerial Vehicle). Le piattaforme UAV sono piccoli velivoli, teleguidati, sui quali il sensore può essere montato per ottenere immagini dall alto della superficie da osservare. In uno stadio avanzato di sviluppo di tale progetto si può pensare all impiego di una moltitudine di UAV, al fine di realizzare una rete di dispositivi in grado di eseguire la sorveglianza aerea di vaste zone in maniera sistematica ed in minore tempo. Le necessità di risoluzione molto elevata, piccole dimensioni e pesi contenuti (lo spazio a bordo di tali veicoli è ridotto) inducono a pensare all impiego di sistemi in banda millimetrica (94 GHz). Questa banda nasconde però delle insidie a livello propagativo: la ridotta lunghezza d onda comporta infatti anche una forte interazione con l atmosfera e con le particelle che caratterizzano i fenomeni di precipitazione, causando elevati valori di attenuazione e limitando, perciò, la portata di tali dispositivi. È inoltre necessario indagare l interazione tra l onda millimetrica e la superficie del mare al fine di quantificare il disturbo/perdite che il mare stesso può causare alla capacità di rivelazione del sensore. 9

3 Nel seguito del presente lavoro (Capitolo 2), si effettuerà dapprima una descrizione dello scenario in cui si troverà ad operare il sensore al fine di valutare i fattori limitanti (quantificazione del clutter di mare). Successivamente (Capitolo 3) si effettuerà una breve comparazione fra le tecniche passive e attive e si effettuerà la scelta dell architettura più adatta per la specifica applicazione. Si fornirà poi (Capitolo 4) il dimensionamento dell architettura scelta valutando limiti e potenzialità. 10

4 CAPITOLO 2 : Descrizione dello scenario 2.1 Introduzione In questo capitolo valuteremo gli effetti dell interazione dell onda millimetrica con l ambiente in cui il sensore dovrà lavorare. L interazione verrà valutata in termini di capacità della superficie in esame di retrodiffondere la radiazione incidente. Poiché l analisi della superficie osservata viene effettuata sulla base della potenza elettromagnetica che arriva al sensore, si rende necessaria la valutazione dell attenuazione presente nel caso di propagazione in aria chiara e in presenza di precipitazione. 11

5 INDICE Lista degli acronimi...4 Lista delle figure...5 Capitolo 1: Introduzione...9 Capitolo 2: Descrizione dello scenario Introduzione Requisiti della missione Il clutter di mare Interazione tra onda elettromagnetica e superficie del mare Backscattering dalla superficie del mare per bassi angoli grazing Statistica del clutter di mare Correlazione del clutter di mare Propagazione in aria chiara Interazione tra onda elettromagnetica e idrometeore in precipitazione Il target Conclusioni...35 Capitolo 3: Considerazioni di sistema Introduzione Geometria del sistema Piattaforme UAV Neptune XPV1-Tern XPV2-Mako Scelta del tipo di sensore Conclusioni...53 Capitolo 4: Progettazione di sistema Introduzione

6 4.2 Architettura ideale del radar FMCW Tecniche di modulazioene Problema delle non linearità di modulazione Dimensionamento del sensore radar Caso 1: Frequenza fissa Antenna Geometria di osservazione Parametri di trasmissione e ricezione Parametri di elaborazione del segnale ricevuto Calcolo della portata Caso 2: Agilità di frequenza Antenna Geometria di osservazione Teoria dell agilità di frequenza Parametri di trasmissione e ricezione Parametri di elaborazione del segnale ricevuto Calcolo della portata Rivelazione di bersagli estesi sulla superficie del mare Rivelazione di bersagli lenti (o fermi) Problema dell isolamento tra trasmettitore e ricevitore Isolamento mediante circolatore La catena di processing Campionamento Elaborazione di Fourier Tecniche di pesaggio Conclusioni Riepilogo del lavoro svolto Appendice A Appendice B Appendice C Riferimenti bibliografici Ringraziamenti

7 Lista degli acronimi - ACR: Area coverage rate; - ADC: Analog to digital converter; - CWT: Continuous wavelet transform; - DFT: Discrete Fourier Transform; - DSD: Drop size distribution; - DWT: Discrete wavelet transform; - FFT: Fast Fourier Transform; - FMCW: Frequency modulated continuous wave; - PIN: Positive intrinsic negative; - PRF: Pulse repetition frequency; - PRT: Pulse repetition time; - RCS: Radar cross section; - RPC: Reflected power canceller; - SCR: Signal to clutter ratio; - SNR: Signal to noise ratio; - STFT: Short time Fourier transform; - TFDS: Time frequency distribution series; - UAV: Unmanned aerial vehicle; - VLPC: Vector leakage power canceller; - WVD: Wigner Ville distribution; 4

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