Radar e Link Budget. Telecomunicazioni per l Aerospazio. P. Lombardo DIET, Univ. di Roma La Sapienza Radar e Link Budget - 1

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1 Radar ink Budgt P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 1

2 RADAR dio tction Il RADAR srv allora a: RIVEARE A PRESENZA E MISURARE A DISTANZA facndo uso di ond radio. nd anging Attualmnt ciò ch si chid ad un radar è molto di più: - Misur di posizion (distanza, azimuth, quota) - Misur di vlocità - Riconoscimnto dgli chi - Costruzion di mapp dl trritorio Applicazioni possibili: sorvglianza: rivlazion localizzazion di oggtti (ad s. ari, navi tc.); monitoraggio ambintal: studio dlla trra, analisi dll risors tc.; P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt -

3 Radar Primario Scondario Tipica installazion di radar pr Controllo dl Traffico Aro Civil: Radar scondario Sfrutta risposta dl traspondr a bordo dll aromobil Radar primario Sfrutta riflssion dl sgnal da part dll aromobil da: "A Famil of Radars for Advancd Sstms", E. Giaccari, C.A. Pnazzi, Alta Frqunza, April 1989 P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 3

4 Radar: Esmpio uso in ATC Combind displa of ATCAS (FIR of Rom) Air Traffic Control Automatd Sstm Flight Information Rgion of Rom P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 4

5 Applicazioni di radar I radar possono ssr classificati in bas a: la funzion sviluppata -Radar di avvistamnto -Radar costiri -Radar mtorologici -Radar aroportuali (TAXI) -Radar di prcision pr attrraggio (PAR) -Radar di avvistamnto prcoc (Earl Warning) -Radar di navigazion -Radar anticollision -Radar portuali -Radar di insguimnto -Radar di guida -Radar altimtri -Radar di immagin -Radar multifunzionali Europan Multifunction Phasd Arra Radar From: E. Giaccari, C.A. Pnazzi - A Famil of Radars for Advancd Sstms, Alta Frqunza, April 1989 radar mto di San Pitro Capofium (BO) High-rs (<1 m) DRA X band imag (rural scn) British Crown Copright 1997/DERA From: C.J. Olivr, S. Qugan, Undrstanding Snthtic Aprtur Radar Imags, Artch Hous, 1998 P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 5

6 Radar su piattaforma mobil -Radar trrstri (Ground-Basd) (fissi/trasportabili/mobili) -Radar navali (Ship-Born) -Radar avionici (Air-Born) -Radar satllitari (Spac-Born/Spac-Basd) EMPAR AWACS: Airborn Warning and Control Sstm SOSTAR-X Stand Off Survillanc and Targt Acquisition Radar COSMO-SkMd TrraSAR-X GRIFO Multimod Radar Courts of FIAR P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 6

7 Il Radar Primario Principio di funzionamnto: Il radar invia un impulso (ad smpio di forma rttangolar) su una frqunza portant assgnata impulso trasmsso vin riflsso dal corpo dll aromobil: una part dll nrgia ch raggiung l aromobil vin riflssa inditro vrso il radar (back-scattring) mntr la part rstant vin inviata in altr dirzioni a riczion dll impulso riflsso consnt di rivlar l aro intrrogazion f 0 f 0 riflssion P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 7

8 Il Radar Scondario Principio di funzionamnto: intrrogator invia una coppia di impulsi alla frqunza di 1030 MHz: Il traspondr di bordo ricv la coppia di impulsi capisc di ssr intrrogato Dopo un tmpo di latnza concordato (50 s), il traspondr invia inditro una squnza di impulsi sulla frqunza di 1090 MHz 1030 MHz risposta intrrogazion 1090 MHz P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 8

9 Schma dl radar T Mod Triggr Dup Displa Rang Antnna Control Mch Angl Data NA O IF Filtro IF: matchd filtr Dt V Amp nar b cluttr Confronto dl sgnal ricvuto d laborato con una soglia V T : soglia fissata in modo da assicurar una P fa costant prassgnato. informazion quantizzata: 0-assnza brsaglio; 1-prsnza brsaglio; P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 9

10 ocalizzazion: misura dlla distanza Sgnal trasmsso: impulso con durata lunghzza d onda dlla portant (frqunza portant f c =c/) T impulso trasmsso Sgnal ricvuto: co rtrodiffusa da brsaglio a distanza R T impulso trasmsso t R c R-T co dal brsaglio t t OCAIZZAZIONE z T R Oantnna distanza brsaglio-antnna radar (rang) è misurata valutando il tmpo di ritardo dll co risptto al tmpo di trasmission dll impulso R: rang (mtri); c t c: vlocità dlla luc (circa R m/s); t: ritardo (scondi); angoli lvazion azimuth sono misurati a partir dalla posizion attual dll antnna posta in rotazion ; P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 10

11 a rivlazion Radar RIVEAZIONE la prsnza dl brsaglio è rivlata rivlando la prsnza dll co rlativa Com fa il radar a rivlar la prsnza dll co rlativa ad un brsaglio? il sgnal ricvuto, opportunamnt laborato, è confrontato con un livllo di soglia: sgnal ricvuto sotto la soglia: brsaglio assnt sgnal ricvuto sopra la soglia: brsaglio prsnt PROBEMA: il sgnal ricvuto è dato dalla somma dll co dal brsaglio (componnt util da rivlar) da sgnali di disturbo (indsidrati): Nois: rumor trmico in gnr di origin intrna al ricvitor; Cluttr: chi da brsagli ambintali quali trra, mar, pioggia; P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 11

12 Rivlazion (II) Curv di Marcum Mrrill Skolnik, Introduction to radar sstms, McGraw-Hill, 1984; Disturbo gaussiano potnza n ; Brsaglio con dato SNR; PROBABIITA DI FASO AARME P d P fa 1 VT 1 rf n V T n dipnd dalla soglia V T dalla potnza dl rumor n : fissato il valor di P fa dsidrata nota la potnza di rumor n risulta individuato il livllo di soglia V T. PROBABIITA DI RIVEAZIONE SNR dipnd dal rapporto fra la soglia V T il valor rms di rumor n dal rapporto sgnal a rumor SNR. Nota la P fa dsidrata il minimo valor di P d ch si intnd garantir si lgg SNR min ncssario pr garantir l prstazioni volut in corrispondnza dll quali dfinir la portata Ad s.: pr P fa =10-6 P d =0.9 SNR=13 db. P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 1

13 Risoluzion in distanza Condizion oprativa: sono prsnti du brsagli T 1 T rispttivamnt a distanza R 1 R. DOMANDA: il radar è in grado di discriminar i du brsagli? (cioè il radar vd i du brsagli com du chi distinti?) RISPOSTA: dipnd dalla distanza rlativa di du brsagli (R -R 1 ) comparata con la risoluzion in distanza (r) dl radar. impulso trasmsso I du brsagli sono discriminati ( risolti ) s è vrificata la condizion: t t durata co R R 1 1 c durata co T co da T 1 co da T R-T 1 R-T t t1 R1 c r c durata co t R c P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 13

14 Risoluzion in distanza (II) DOMANDA: Qual è la durata dll co dal gnrico brsaglio? RISPOSTA: dipnd dalla banda dlla forma d onda trasmssa. Forma d onda trasmssa=impulso smplic non codificato di durata In ingrsso al filtro adattato alla forma d onda trasmssa: impulso rttangolar di durata ; In uscita al filtro adattato alla forma d onda trasmssa: impulso triangolar di durata (durata a 3 db); Forma d onda trasmssa=chirp di durata di banda B In ingrsso al filtro adattato alla forma d onda trasmssa: impulso chirp di durata ; In uscita al filtro adattato alla forma d onda trasmssa: impulso sinc di durata 1/B (durata a 3 db); Durata co valutata in uscita al filtro adattato pari a 1/B c ad s.: con =1s r=150m: brsagli a distanza rlativa minor di 150m sono visti dal radar com un unico brsaglio. P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 14 r c B Durata co valutata in uscita al filtro adattato pari a 1/B=t/RC (RC: Rapporto Comprssion dl chirp) r c B ad s.: con =100 MHz r=1.5 m: brsagli a distanza rlativa minor di 1.5 m sono visti dal radar com un unico brsaglio. In gnral indipndntmnt dalla forma d onda trasmssa la risoluzion in distanza dipnd unicamnt dalla banda (r=c/b).

15 Ambiguità in distanza Sgnal trasmsso: squnza di impulsi (ciascuno durata lunghzza d onda ) con: - T priodo di riptizion dll impuso (PRT: Puls Rptition Tim); - 1/T frqunza di riptizion dll impulso (PRF: Puls Rptition Frqunc); impulso trasmsso n 1 impulso trasmsso n =/T DUTY CICE ad s. =1s & T=1ms =0.001 T il radar sta ricvndo T T.. t DOMANDA: il radar è in grado di misurar in modo non ambiguo il rang di un brsaglio posto a distanza R? A impulso trasmsso n 1 co rlativa impulso t A targt a R 1 =ct 1 / A 1 B A T t 1 t t =T+ t impulso trasmsso n RISPOSTA: dipnd dalla distanza dl brsaglio R comparata alla massima distanza non ambigua R na. a distanza è misurata in modo non ambiguo s è vrificata la condizion: ct t T R co rlativa impulso t A targt a R =ct / la massima distanza non ambigua è quindi data da brsagli a distanza R>R na sono visti dal radar a distanza R =R mod(r na ) ad s.: con T=1ms R na =150Km: brsagli a distanza maggior di 150 Km sono visti dal radar su tracc succssiv P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 15 t R na ct

16 ocalizzazion: misura dll angolo Sistma radar usa antnn dirttiv (tutta la potnza radiata in una dirzion il radar risc a vdr a distanza maggior). DOMANDA: com fa il radar a rivlar localizzar brsagli posti in una qualunqu posizion angolar? RISPOSTA: scansion ambint tramit rotazion azimutal dll antnna (scan rat a tra 1 60 rpm). Pncil bam Fan bam Form fascio d antnna fascio assialmnt simmtrico; larghzza dl fascio dll ordin di pochi gradi o mno; utilizzati quando è ncssario misurar continuamnt ntrambi azimuth lvazion dl brsaglio (ad s. pr insguimnto); fascio largo in una dimnsion strtto nll altro; utilizzato quando ci sono vincoli sul ma scan tim; radar di ricrca ground basd utilizzano fasci strtti in azimuth larghi in lvazion; P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 16

17 Risoluzion in angolo ocalizzazion angolar dl brsaglio: dirzion dl brsaglio dirzion dl borsight d antnna. Condizion oprativa: prsnti du brsagli T 1 T ntrambi a distanza R sparati azimutalmnt di. DOMANDA: il radar è in grado di discriminar i du brsagli? (cioè il radar vd i du brsagli com du chi distinti?) Risoluzion in rang (banda impulso trasmsso) Risoluzion in angolo (larghzza dl fascio d antnna) RISPOSTA: dipnd dalla sparazion angolar di du brsagli comparata con la larghzza dl fascio d antnna A : < A : il radar vd un solo brsaglio; A : il radar discrimina i du brsagli; Clla di risoluzion spazial c/(b) P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 17

18 Tipologi di antnn Antnn linari: - dipoli hrziani - arra di dipoli (Yagi, ogaritmich, ) Antnn a tlaio: - Anlli chiusi (loop) Antnn ad aprtura: - paraboloidi - arra a slottd wavguid - phasd arras P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 18

19 P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 19 Pattrn di Antnn ad aprtura Trasformata di Fourir dlla corrnt sull aprtura di antnna sin sin ), ( ), ( ), ( a k j k r j k R j dd I dd I a r k j k j k j r k j k j k k d rct d rct dd rct rct rct rct I a a sin sinc sin sinc ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ), ( sin sin sin sin a a a a k k k k sin sin sin sin

20 Fascio di antnna Aprtura appro. di antnna a a Esmpio a ( rad) ( rad) P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 0

21 Antnn a riflttor parabolico P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 1

22 Antnn parabolich a microond P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt -

23 Guadagno di Antnn ad aprtura P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 3

24 Pattrn di radiazion di antnna potnza o intnsità di radiazion in funzion dll coordinat angolari (in gnr du); Aprtura dl fascio in azimuth A in lvazion A : ampizza dll intrvallo angolar ch corrispond ad una diminuzion di 3dB (mtà potnza) dlla dirttività o dl guadagno risptto alla dirzion di ma (Borsight) nl piano azimutal ( A / : dim. antnna in azimuth) di lvazion ( A / : dim. antnna lvazion). P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 4

25 Esmpi di pattrn di radiazion P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 5

26 Radar d immagin OBIETTIVO: ottnr immagini (mapp D) radar di zon/brsagli di intrss. Immagin radar è una mappa bidimnsional in livlli di grigio (livlli di potnza); Ciascun pil/clla di risoluzion dll immagin radar ha una intnsità proporzional alla radar cross sction dgli scattratori contnuti nl pil/clla in considrazion; Clla di risoluzion dfinita dal potr risolutor nll du dirzioni rang (slant o ground) cross-rang (azimuth). SAR: Snthtic Aprtur Radar (Radar ad Aprtura Sinttica) tipo di radar di immagin P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 6

27 Gomtria di ossrvazion dl sistma SAR Dirzion slant-rang Dirzion ground-rang Antnna SAR su piattaforma mobil (aro-satllit); a piattaforma sgu una traittoria parallla alla suprfici trrstr; antnna SAR guarda di lato (sidlooking) d illumina una striscia di supfici (modalità stripmap); Sono trasmss form d onda a larga banda: ciascun punto è illuminato da una squnza di impulsi nl tmpo in cui prman nl fascio d antnna. Esmpio: ossrvazion da satllit Dirzion cross-rang P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 7

28 Focalizzazion SAR laborazion azimutal è dtta focalizzazion SAR, il cofficint dl trmin di fas quadratico,, paramtro di focalizzazion R() h R 0 - la focalizzazion SAR è quivalnt alla sintsi di una antnna larga D s dalla laborazion cornt dgli impulsi di ritorno da un dato scattrator visto durant il moto dl fascio. -Il moto dlla piattaforma non è fondamntal, P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 8

29 Radar: Esmpio Envisat (I) Satllit P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 9

30 Radar: Esmpio Envisat (II) ASAR: Advancd Snthtic Aprtur Radar ASAR- Antnna Global monitoring: VV o HH, 1000 m rsolution, 405 Km swath width Wid Swath: VV o HH, 150 m rsolution, 405 Km swath width Imag VV o HH, <30 m rsolution, fino a 100 Km swath width Altrnating Polarization: VV o VH o HH/HV, 30 m rsolution, 100 Km swath width Wav VV o HH, <10 m rsolution, 55 Km fino a 1010 Km P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 30

31 Radar: Esmpio Envisat (III) ASAR imags ASAR - Brazil ASAR -Mar dl Nord 1 Agosto 00 ASAR- Hurrican Isidor 1 Sttmbr 00 ASAR-Pnisola Antartica P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 31

32 Equazion radar (I) Costruzion dll quazion radar a) radarbrsaglio a distanza R con antnna dirttiva: p t ( R,, ) PG(, ) t 4R p t (R,,) : dnsità di potnza a distanza R in dirzion (,). P t : potnza irradiata dall antnna (potnza di picco). G (,) : guadagno d antnna in dirzion (,). b) potnza intrcttata dal brsaglio con Radar Cross Sction rirradiata isotropicamnt: p t (R,,) : dnsità di potnza a distanza R in dirzion (,). p t PG t (, ) ( R,, ) 4R P t : potnza irradiata dall antnna (potnza di picco). G(,) : guadagno d antnna in dirzion (,). : Radar Cross Sction (RCS) dl brsaglio. P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 3

33 Equazion radar (II) c) brsaglio a distanza Rradar: p r ( R,, ) PG(, ) t 4R 4R d) potnza intrcttata dall antnna: PG t (, ) R,, ) A(, ) 4 R 4 R r( P p r (R,,) : dnsità di potnza al radar dalla distanza R in dirzion (,). P t : potnza irradiata dall antnna (potnza di picco). G(,) : guadagno d antnna in dirzion (,). : radar cross sction brsaglio. P r (R,,) : potnza al radar dalla distanza R in dirzion (,). P t : potnza irradiata dall antnna (potnza di picco). G(,) : guadagno d antnna in dirzion (,). : radar cross sction brsaglio. A (,) : ara fficac d antnna in dirzion (,). a portata radar R ma (maimum radar rang) è la distanza oltr la qual il brsaglio non può ssr rivlato: qusta condizion si vrifica quando l co ricvuta ha potnza pari al minimo livllo rivlabil (P r =S min ). P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 33

34 Equazion radar (III) Guadagno: Ara quivalnt: G A A 4 A g G A G 4 Ag 4 P( R, r, PG ( ) t (4, ) 3 ) R 4 P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 34

35 Portata radar Il sgnal ricvuto è costituito dalla somma dl sgnal util (co dal brsaglio di intrss) dal rumor trmico dl ricvitor (smpr prsnt: trascurati al momnto disturbi provninti dall strno) P n ktbf 0 P n : potnza rumor r riportata in antnna; k: costant di Boltzmann; T 0 : 90K; B: banda dl ricvitor; F: figura di rumor dl ricvitor; RAPPORTO SEGNAE- RUMORE S N Pr P PG t R ktbf r n 0 a portata radar R ma può ssr dfinita in funzion dl minimo rapporto S/N, (S/N) min, ch consnt un opportuna rivlzion: R ma PG t 3 4 kt BFS N 0 min 1 4 PORTATA RADAR P. ombardo DIET, Univ. di Roma a Sapinza Radar ink Budgt - 35