Tecniche radar per la prevenzione dei danneggiamenti degli aeromobili causati da volatili

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1 Università degli Studi di Roma Tor Vergata FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria delle Tecnologie di Internet Tesi di laurea Tecniche radar per la prevenzione dei danneggiamenti degli aeromobili causati da volatili Candidato: Damiano Mogetta Matricola Relatore: Prof. Gaspare Galati Correlatori: Ing. Mauro Leonardi Dott. Giacomo Dell Omo

2 Sommario Nel seguente lavoro viene svolto uno studio sul fenomeno dell impatto tra volatili e velivoli o anche detto bird strike, con particolare attenzione agli aspetti che ne comportano la sicurezza del volo. Vengono viste le modalità di sorveglianza e prevenzione del fenomeno odierne, da cui si è capito che lo sviluppo di un appropriata sorveglianza radar sia di aiuto al monitoraggio del del fenomeno. Per questo motivo si sono studiate le caratteristiche morfologiche e comportamentali dei volatili come ad esempio quote di volo, velocità medie, radar cross section, studio delle componenti doppler, micro-doppler e fluttuazioni dell RCS dovuto al battito delle ali. Mirate allo sviluppo di un sitema radar appropriato. Tale studio è servito per poter classificare dal punto di vista radaristico un eco aviario. Si è effettuata una ricerca e un analisi dei requisiti che un sistema radar per il bird strike deve possedere, come: copertura, portata, risoluzioni e prestazioni di detezione. Segue una breve presentazioni delle soluzioni radar che sono attualmente disponibili sul mercato per controllare il problema descritto e ne viene effettuata un analisi critica. In base a queste considerazioni vengono proposte delle differenti configurazioni di sistema, sviluppate ex novo, di cui non tutte attuabili per motivi che verranno descritti successivamente nella trattazione. Nel particolare si è proposta una configurazione composta da due radar controllati da un unità centrale di cui uno si occupa della sorveglianza 2D sul piano azimutale e l altro è usato per misurare la quota dei volatili. Il sistema risulta essere innovativo rispetto ai concorrenti presenti sul mercato per il sensore verticale perché, contrariamente agli altri sistemi, non ruota sull asse ma oscilla intorno ad un determinato intervallo angolare. Di questo sistema si è determinata l ampiezza della scansione e la frequenza del moto che sono frutto di un ottimizzazione. Inoltre, il sensore verticale sarà in grado di misurare la frequenza del battito delle ali di un uccello, in modo da identificarne la tipologia del volatile. Successivamente si è dato spazio sia allo studio del clutter, problematica molto presente in questo tipo di sistemi, e sia alle tecniche per ridurre tale fenomeno. Come prima tecnica di contrasto si è studiata la possibilità d innalzare il puntamento dell antenna del sensore orizzontale che ha prodotto un notevole miglioramento sul rapporto segnale/clutter rispetto ad una prima analisi iv

3 effettuata con un puntamento a zero gradi(parrallelo al terreno). Inoltre, si è visto che puntare il fascio dell antenna verso l alto, ottimizza la copertura in quota dei volatili, rispettando i requisiti proposti. Infine, si sono studiate le tecniche di contenimento dei falsi allarmi dovuti al clutter, nel particolare un sistema CFAR a mappa di clutter monoparametrico. Questo è stato dimensionato in modo da inseguire le fluttuazioni lente dell eco di clutter superficiali e di non mascherare obiettivi presenti nella cella sotto test. v

4 Indice 1 Il fenomeno del bird strike: statistiche, classificazione dei target e analisi dei requisiti Statistiche del fenomeno Monitoraggio del fenomeno Analisi tecnico-economiche riguardanti il Bird-Control Metodi per la stima dei costi Costi di progettazione degli aeromobili per resistere al bird strike Riduzione dei costi esistenti Aspetti fenomenologici connessi al radar Distribuzione in quota dei volatili Caratterizzazione della Radar Cross Section dei volatili Velocità dei volatili Spettro doppler Polarimetria Analisi dei requisiti di sistema Requisiti di utente per bird strike control radar Requisti di sistema Analisi dei sistemi Radar esistenti per Bird Control e loro limitazioni Storia dei sistemi bird strike avoidance radar Osservazione e validazione dei sistemi di radar per bird strike avoidance Analisi e stato dell arte dei sistemi radar esistenti Merlin di DeTech Accipiter AR-1 e AR Sistema AR Sistema AR Robin Radar vi

5 2.6 Bird Strike Prevention System di Teletron Verifica preliminare dei requisiti Studio della risoluzione doppler Considerazioni sul volume di copertura Ubicazione del sensore radar Risultati e confronto tra le varie tipologie di radar Criteri e proposte per nuovi Bird Control Radar Analisi e confronto tra le varie tipologie di sensori radar candidati Radar Meteo Frequency scan Line array con scansione elettronica in elevazione Soluzioni radar proposte Radar 3D a scansione azimutale meccanica con Frequency scan in elevazione Radar 3D a scansione azimutale meccanica e scansione elettronica in elevazione Radar 3D in FMCW a scansione azimutale meccanica e scansione elettronica in elevazione Architettura proposta per il sistema Avian Radar Scelta dei sensori radar per Avian Radar Sistem Vertical Radar: dimensionamento Ampiezza del movimento Misura della quota Velocità del movimento verticale d antenna Estrapolazione della frequenza del battito d ala Calcolo dei momenti delle forze Clutter e Metodi Anti-Clutter Modelli di clutter superficiale e volumetrico Modelli di clutter GIT clutter land model Rapporto tra la potenza del clutter ed il rumore del ricevitore Rapporto potenza del segnale a potenza di clutter SCR per radar, con scansione nella direzione orizzontale (banda X) SCR per radar orizzontale in banda S SCR per radar verticale in banda X Metodi anticlutter vii

6 5.4 Sistemi per il contenimento dei falsi allarmi Criteri di scelta del parametro α Tempi di reazione alla fluttuazione del clutter Scelta del parametro β Valutazioni delle prestazioni del filtro Conclusioni 132 A Radar ad onda continua in modulazione di frequenza FMCW 138 A.1 Introduzione ai radar CW A.2 Calcolo della frequenza doppler A.3 Radar FMCW A.3.1 Modulazione di frequenza con legge triangolare A.3.2 bersaglio in movimento B Determinazione del Bird Strike Risk Index (vers 2) 144 C Studio del raggruppamento di più elementi radianti di un array in sub-array 147 D Antenne dei radar marini 155 E Tabelle per la distinsione delle specie dal battito delle ali 159 F Codici 163 F.1 Programma per il calcolo del rapporto clutter/noise, radar orizzontale in banda X F.2 Programma per il calcolo del rapporto clutter/noise, radar orizzontale in banda S F.3 Programma per il calcolo del rapporto clutter/noise, radar verticale in banda X F.4 Programma per il calcolo del rapporto segnale/clutter, radar orizzontale in banda X F.5 Programma per il calcolo del rapporto segnale/clutter, radar orizzontale in bansa S F.6 Programma per il calcolo del rapporto segnale/clutter, radar verticale in banda X F.7 Programma per il calcolo della risposta al gradino(target) al filtro CM-CFAR viii

7 F.8 Programma per il calcolo della risposta ad una rampa crescente linearmente in potenza al filtro CM-CFAR(clutter con fluttuazione lenta) Bibliography 180 ix