Progetto di ricerca CNR-SELEX SI (A. Pia SELEX-SI) (A. Russo ISIB -CNR)

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1 Seminario CARATTERIZZAZIONE DELLE EMISSIONI ELETTROMAGNETICHE DELLE SORGENTI RADAR: INDIVIDUAZIONE DELLE METODICHE E DELLE SPECIFICHE TECNICHE DEGLI STRUMENTI DI MISURA Progetto di ricerca CNR-SELEX SI (A. Pia SELEX-SI) (A. Russo ISIB -CNR) Roma 29 marzo

2 Programma di ricerca : CNR- SELEX- SI Valutazione dei rischi e dell impatto ambientale nel settore delle onde elettromagnetiche e delle radiazioni ionizzanti PERCHE? 2

3 SELEX Sistemi Integrati è la società di FINMECCANICA che progetta, realizza e commercializza Grandi Sistemi per l'homeland Protection, sistemi e radar per la difesa aerea, la gestione del campo di battaglia, la difesa navale, la gestione del traffico aereo ed aeroportuale, la sorveglianza costiera e marittima. Presenza a livello mondiale nei Grandi Sistemi per la Sicurezza 3

4 L'azienda, che occupa circa dipendenti, vanta un'esperienza di cinquanta anni e una clientela in 150 Paesi. Ha sedi principali in Italia, Regno Unito (SELEX Systems Integration Ltd), Germania (SELEX Systems Integration GmbH) e Stati Uniti (SELEX Systems Integration Inc). 4

5 SELEX Sistemi Integrati persegue inoltre una significativa strategia di innovazione tecnologica, riservando ai programmi di Ricerca e Sviluppo, risorse pari a circa il 20% del valore della produzione. L'azienda investe su tecnologie abilitanti ed allo stato dell'arte che le permettono di realizzare prodotti innovativi secondo i requisiti espressi dai clienti. Le risorse vengono indirizzate sia all'implementazione della missione dei Grandi Sistemi per la Difesa e la Sicurezza (sviluppo di sistemi complessi, in grado di raccogliere ed integrare dati e informazioni eterogenee in un unica piattaforma tecnologica) sia allo sviluppo di Sensori e Sistemi Radar sempre più flessibili, multifunzionali e multiruolo. 5

6 Nuove tecnologie Radar Valutazione Sicurezza sul lavoro Impatto Ambientale Onde Elettromagnetiche Radiazioni Ionizzanti Valutazione emissioni elettromagnetiche Valutazione della pericolosità TR - RP 6

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8 SCOPO Lo scopo di questa collaborazione è quello di mettere a punto e validare metodologie sia di calcolo che di misura per la valutazione delle grandezze fisiche correlate ai campi elettromagnetici emessi dagli impianti radar di potenza di nuova tecnologia e quindi di valutare i livelli di esposizione in un determinato ambiente, a fini di protezione sia della popolazione che dei lavoratori esposti. Poiché un radar per poter funzionare ha anche fra i suoi elementi costitutivi sorgenti di radiazioni ionizzanti, si rende necessaria anche una valutazione dei parametri ad esse correlati, per determinare il rischio di esposizione per il personale addetto e per la popolazione. Tutto questo porta infine al rispetto della vigente normativa. 8

9 Sistemi Difesa Nuove tecnologie Radar multifunzione 3D EMPAR RAT 31 DL KRONOS 9

10 4 Fase SELEX SI e CNR-IsIB Misure in campo 10

11 MODELLO DI CALCOLO I a fase: realizzazione (da parte di SELEX-SI) di una metodologia di calcolo da utilizzare per la valutazione delle emissioni elettromagnetiche di un nuovo sistema radar (EMPAR), con antenna ad array planare, al fine di conoscere i possibili livelli di esposizione per i lavoratori e la popolazione a seguito dell installazione del sistema e predisporre quindi le necessarie misure di sicurezza. Il modello è stato definito prendendo come riferimento i valori della vigente normativa, anche se a seguito di un accordo sindacale interno, la SELEX-SI garantisce come livello di esposizione per i propri dipendenti il valore di 1 W/m 2, indipendentemente dalla frequenza della sorgente di emissione. 11

12 MODELLO DI CALCOLO Il modello di calcolo elaborato assimila un antenna ad array planare ad una matrice di dipoli radianti, e quindi l ipotesi è che il campo radiato in un dato punto può essere calcolato come la somma dei campi generati da ciascun dipolo in quel punto. Questo modello richiede la definizione di due set di parametri, che servono a caratterizzare - uno il sistema antenna e la geometria del sistema - l altro a generare la griglia dei punti di test e calcolare le posizioni dei medesimi rispetto al centro dell antenna 12

13 PARAMETRI DI DEFINIZIONE Parametri per la caratterizzazione : 1) del sistema antenna: λ, duty cycle del trasmettitore, potenza del trasmettitore, dimensione della matrice dei dipoli, distanza verticale e orizzontale fra i dipoli, attenuazione front-back, guadagno, etc.; 2) della geometria del sistema (es: angolo di elevazione, angolo di steering, azimuth ed elevazione di tapering del trasmettitore,etc.) Parametri necessari per generare la griglia dei punti di test e calcolare le posizioni dei medesimi rispetto al centro dell antenna: altitudine dell antenna rispetto al suolo, distanza a terra del test point, direzione del test point rispetto al centro di fase dell antenna, etc. 13

14 MODELLO DI CALCOLO Il modello tiene inoltre conto della polarizzazione verticale o orizzontale del campo elettrico attraverso la definizione dell angolo da inserire nella formula del campo, senza apportare modifiche alla geometria del sistema. Il modello di calcolo, definito in prima approssimazione per il caso di valutazione di esposizione in condizioni imperturbate, cioè nello spazio libero, prende anche in considerazione la correzione dovuta alla riflessione del terreno, nel test point considerato, in quanto questa gioca un ruolo molto importante nella valutazione dell esposizione, soprattutto a distanze molto vicine all antenna. 14

15 Elementi individuabili della metodologia Parametri Formule utilizzate Geometrie del sistema Tipologia del modello Applicazioni Elaborazione analisi Metodologia 15

16 VALUTAZIONE DEL MODELLO Zona di campo lontano dell array planare: La struttura del modello è tale da renderlo sicuramente valido in questa regione, dove l onda elettromagnetica ha parametri ed andamento ben definiti. Zona di campo vicino dell array planare: In questa zona è necessaria una validazione sperimentale. Infatti occorre verificare se l utilizzo dell espressione del campo elettrico del dipolo, data nel modello, valida nella regione di campo lontano del singolo dipolo, non comporti, nella sommatoria dei vari contributi dati al campo elettrico nei punti di test, problematiche correlate al comportamento di un onda elettromagnetica nella regione di campo vicino. Dette problematiche devono essere prese in considerazione per motivi protezionistici. 16

17 VALUTAZIONE DEL MODELLO VALUTAZIONE DEL MODELLO La verifica sulla validità del modello sarà fatta non appena il nuovo sistema radar sarà realizzato, eseguendo un confronto fra i dati che si ottengono applicando il modello e quelli sperimentali, direttamente misurati in campo. 17

18 SCHEMA DI MASSIMA DI UN RADAR E FUNZIONAMENTO Un sistema radar si compone di un trasmettitore di onde radio, almeno un'antenna, e degli apparati elettronici di ricezione, elaborazione e visualizzazione del segnale elettromagnetico ricevuto. Quando le onde radio trasmesse colpiscono un oggetto (target), vengono riflesse in tutte le direzioni. Il segnale viene quindi in parte reirradiato anche indietro, verso la direzione di provenienza. 18

19 Classificazione per forme d onda 19

20 Esame del documento Validazione in campo vicino Validazione in campo lontano Emissione del documento validante 20

21 Determinazione delle modalità d insediamento DISTANZE DI SICUREZZA Sulla base delle analisi effettuate, si sono valutate le distanze minime da rispettare fra il radar e le zone di frequentazione del personale, che si sono individuate, per il particolare radar esaminato e per il luogo di installazione nel: Parcheggio (in particolare 15 m) palazzina/ufficio: (in particolare 30 m) limite del recinto: (in particolare 60 m) 21

22 ANGOLO DI ELEVAZIONE Sulla base delle distanze individuate è stata quindi valutata la elevazione del RADAR che deve essere tale da non offrire radiazioni dirette né a persone che potrebbero essere presenti nel parcheggio o sulla strada né a persone che potrebbero essere presenti nella palazzina Resta inteso che il radar non dovrà trasmettere in direzione delle piste aeree I valori cautelativi valutati per gli angoli di elevazione sono stati: + 7 quando il fascio intercetta la palazzina + 2 quando è in trasmissione verso il recinto 22

23 SCHERMATURA DELLA PALAZZINA Una buona schermatura è rappresentata da una struttura metallica in continua o da una rete tale che le maglie soddisfino la condizione: 1/30 λ > d > 1/100 λ Tale condizione può essere ricavata anche dai grafici relativi che riportano, per una maglia di 1 cm x 1cm la seguente attenuazione, per il campo elettrico: - per ν = 1 GHz attenuazione = 7 x 10-2, - per ν = 10 GHz attenuazione = 5 x 10-1, - per ν = 20 GHz attenuazione = 7 x 10 0, 23

24 Area Trasponder Area Apparati Edificio Prefabbricato Cabina Elettrica Area Movimentazione Automezzi 24

25 Impianto Fito- Depurazione Cabina Elettrica 25

26 Descrizione Area Trasponder Pali Telescopici 26

27 Confronto dei sistemi di misura (secondo le norme CEI) CATENA STRUMENTALE PREGI DIFETTI ANALIZZATORE DI SPETTRO OSCILLOSCOPIO MISURATORE DI CAMPO - Caratterizzazione di tutti i parametri dell emissione radar - Possibilità di instaurare facilmente una catena di riferibilità tra le grandezze misurate ed i campioni di riferimento - versatilità ed espandibilità - gamma di frequenza molto ampia per tutte le possibili esigenze di misura - Costo notevole - Peso ed ingombro delle attrezzature elevato - Specifico addestramento dell operatore - Possibili limitazioni d uso legate alle caratteristiche della sorgente radar (massima RBW inferiore al valore richiesto per una misura corretta) - Semplicità d uso - Costo non eccessivamente elevato - Limitata sensibilità - Semplicità d uso - Costo non eccessivamente elevato - Misura indipendente dalla polarizzazione e dalla direzione di incidenza - limitata sensibilità - i valori di picco si ottengono per calcolo, conoscendo il duty cycle del radar 27

28 La problematica ha comportato le seguenti valutazioni: Valutazioni Centratura del fascio Radiazione dai lobi secondari Angoli di elevazione e di erogazione della radiazione Determinazione infrastrutture e schermature Valutazione del rischio 28

29 4 Fase: Misure in campo Strumentazione utilizzata per la misura Spectrum Analyzer HP Mod 8563E Antenna Horn SAMA Antenna Log Periodica SAMA Antenna Horn Antenna Log Periodica Attenuatore HP fisso da 10 db Cavo RF Cavo RF Spectrum Analyzer Supporto Antenna 29

30 ASSETTO DELLA STRUMENTAZIONE 1 step: configurazione dell analizzatore scelta della banda (BW) e dello sweep. 2 step: scelta degli opportuni attenuatori esterni, per evitare di far lavorare lo strumento fuori fondo scala. 30

31 4 Fase: Misure in campo Scelta dei punti di misura Le misure di densità di potenza del campo elettromagnetico sono state eseguite in alcuni punti scelti sulla base delle caratteristiche proprie dell apparato radar e del contesto ambientale in cui si trova il sito di Pratica di Mare. I punti di misura sono state individuati sia all interno del sito militare che in prossimità di edifici civili. A B 31 D RADAR

32 C-TORRE DI CONTROLLO Punti fuori dal sito radar scelti per la misura E SITO RADAR Pos. C1 all interno della sala operativa della torre di controllo a circa 1500 m di distanza dal radar Pos. C2 nella passerella all esterno della sala operativa della torre di controllo Pos. E Sul terrazzo di una abitazione civile a circa 1500 m di distanza dal sito radar e con la sonda posizionata a circa 11 m di altezza rispetto al piano stradale 32

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34 CONDIZIONI DI MISURA Le misure si eseguono con il radar in condizione di radiazione e con antenna in rotazione. In particolare si privilegiano modalità di funzionamento più severe di quelle reali. Ad esempio per il radar oggetto di questa valutazione, il software è stato programmato per generare una sequenza fissa di task tutti caratterizzati da puntamento pari ad 1. In questa modalità, il radar non esegue scansione elettronica continua e mantiene il puntamento solidale con la rotazione d antenna. Inoltre, a fini puramente cautelativi e per semplificare lo svolgimento delle prove, sono state eseguite solo misure di densità di potenza di picco. La media è stata calcolata considerando il duty della forma d onda di trasmissione e il rate di rinnovo di una direzione. 34

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36 4 Fase: Misure in campo Esecuzione delle misure 36

37 PERDITE Le letture effettuate sull analizzatore di spettro, ad ogni misura significativa, indicano la potenza presente sulla superficie della sonda, ridotta di tutte le perdite prodotte ed inserite nella rete di misura. Le perdite proprie della rete di misura sono state così valutate: Perdita di inserzione del probe (per disadattamento) Perdita di inserzione attenuatore Perdita cavo N/N 37

38 POTENZA SULLA SONDA La somma fra il valore letto sull analizzatore (P l ) e le attenuazioni prodotte ed inserite nella rete di misura, indicano la potenza di picco (P p ) presente sulla superficie dell antenna di rilevazione (probe). Il prodotto fra tale valore ed il duty cycle dà la potenza a livello della sonda (P d ). Pp = P l + Attenuazioni prodotte ed inserite Pd = (duty cicle) x Pp 38

39 DENSITA DI POTENZA Il valore della densità di potenza S (intensità del campo elettromagnetico) nel punto di misura, a livello dell antenna di rilevazione, sarà data quindi dal rapporto fra la potenza a livello del probe in W (o mw), mediata in qualunque intervallo di sei minuti, ed il valore della superficie equivalente A eq in m 2 (o cm 2 ) del probe stesso utilizzato per la misura, che è data da: Il valore ottenuto va quindi corretto degli errori introdotti dai vari componenti della rete di misura, quali l inaccuratezza della lettura, l indeterminazione sulla misura della A eq della sonda, etc. 39

40 RISULTATI DELLE MISURE Per stabilire il massimo livello di esposizione al campo elettromagnetico (mediato su qualsiasi intervallo di sei minuti), al quale potrebbe essere assoggettato il personale operante nel sito in esame e la popolazione nel suo insieme, si devono tenere presenti le caratteristiche dell antenna emittente: Rotazione dell antenna Apertura fascio orizzontale Tempo si esposizione al fascio principale, in qualsiasi intervallo di sei minuti 40

41 SISTEMI DI PROTEZIONE A fini protezionistici, molte volte, anche se i valori di esposizione in molti casi esaminati risultano nei limiti stabiliti dalla vigente normativa per la popolazione, per tutelare ulteriormente il personale e per garantire la sicurezza degli stessi: vengono installati sulle sorgenti dei sistemi di protezione, consistenti in allarmi ottici-acustici, che avvisano il personale della presenza di radiazione, con una soglia stabilita di livello di esposizione, che se viene superata, intervengono immediatamente sullo spengimento del fascio; Vengono previste delle schermature nei posti di stazionamento del personale che potrebbero essere interessati dalle irradiazioni; Altre soluzioni specifiche, valutate caso per caso. 41

42 RISULTATI E VANTAGGI Validazione Metodologie di valutazione preventiva Certificazione dei propri prodotti e siti radar Salvaguardia della sicurezza dei lavoratori e dell ambiente Rispetto delle normative Soddisfazione del Cliente 42

43 GRAZIE PER L ATTENZIONE 43