Sistemi radiocomunicazione e radar

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1 Università degli Studi di Cassino - ISMEF Master in Tecnologie e Sistemi Avanzati per la Nautica Sistemi radiocomunicazione e radar Emanuele Grossi, [email protected] Luca Venturino, [email protected]

2 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO DEL RADAR Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 2

3 Il radar Radar è l acronimo di RAdio Detection And Ranging. Oggi questa tecnologia è talmente diffusa da che è diventata una parola a se stante. E un sistema di rivelazione che usa le onde elettromagnetiche (in particolare, le onde radio) per determinare: Distanza Elevazione Azimuth Velocità di un oggetto fisso o in movimento Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 3

4 Il radar Il radar è dotato di un antenna che trasmette onde radio le quali rimbalzano su ogni oggetto sul loro cammino. Parte di quest onda è riflessa e torna indietro all antenna Dal tempo di propagazione e dalla direzione di arrivo il radar estrae le informazioni sulla posizione e/o velocità dell oggetto Le prime applicazioni furono in ambito militare per cui ancora adesso gli oggetti rivelati vengono indicati col nome di target (bersagli) Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 4

5 Storia Hinrich Hertz mostra che le onde elettromagnetiche possono essere riflesse da oggetti Alexander Popov (Marina Imperiale Russa) nota un interferenza nella comunicazione tra 2 navi causata dal passaggio di una terza nave e suggerisce che questo fenomeno possa essere utilizzato per rivelare la presenza di oggetti Il tedesco Christian Huelsmeyer dimostra che le onde radio possono essere usate per rivelare la presenza di oggetti metallici Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 5

6 Storia Brevetta l idea ma non ha grande successo a causa della povertà tecnologica dell epoca L ingegnere americano Albert Wallace Hull inventa il magnetron (trasmettitore) 1922 Gli ingegneri americani Albert H. Taylor e Leo C. Young del Naval Research Laboratory localizzano una nave in legno per la prima volta Lawrence A. Hyland (Naval Research Laboratory) localizza un velivolo per la prima volta 1931 La prima nave equipaggiata con un radar. Sono usate antenne parabliche con radiatori horn Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 6

7 Storia Differenti apparati radar vengono sviluppati negli usa USA, Russia, Germania, Francia, Giappone, Italia Con la tecnica radar viene misurata la distanza terra-luna. Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 7

8 Applicazioni Il primo utilizzo è in ambito militare, per localizzare bersagli in aria, terra e mare In ambito civile: In aeronautica, su aerei per rivelare ostacoli o in fase di atterraggio per avere informazioni accurate di altitudine e a terra per dare indicazioni di atterraggio al pilota e per monitorare il traffico In nautica, per evitare collisioni con oggetti o altre navi e per la navigazione per trovare la propria posizione rispetto ad altri oggetti di posizione nota (es. costa, isole, fari, etc.) Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 8

9 Applicazioni In metereologia per monitorare le precipitazioni e per previsioni a breve termine In Geologia per mappare la composizione della crosta terrestre Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 9

10 Principi di base Le onde elettromganetiche vengono riflesse in presenza di ostacoli Se l onda riflessa è ricevuta indietro nel punto in cui è stata emessa all ora c è un ostacolo nella direizone di propagazione (bersaglio rivelato) La velocità delle onde è costante (c = m/s) e dalla misura del tempo trascorso è possibile ricavare la distanza dell oggetto Utilizzando antenne in grado di focalizzare l onda elettromagnetica in una particolare direzione si può misurare anche la direzione di arrivo (cioè elevazione e azimuth del bersaglio) Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 10

11 Propagazione delle onde elettromagnetiche Il processo attraverso il quale una perturbazione si propaga nello spazio senzatramite di corpi materiali si chiama irradiazione Fronti d onda. Nel caso di propagazione in uno spazio: libero (= senza ostacoli) omogeneo (= senza discontinuità) isotropo (= con le stesse proprietà in tutte le direzioni) senza perdite (= l onda non perde energia) l onda elettromagnetica emessa da una sorgente isotropa (= che irradia in gual misura in tutte le direzioni) ha fronti d onda sferici Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 11

12 Propagazione delle onde elettromagnetiche la densità di potenza per unità di superficie è p = P t / (4πd 2 ) dove P t è la potenza trasmessa e d è la distanza. Quando d è molto grande, localmente il fronted onda appare piano Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 12

13 Riflessione, diffusione, diffrazione Se un fronte d onda elettromagnetica investe un ostacolo avente una certa conducibilità elettrica e una dimensione molto maggiore della lunghezza d onda, una frazione dell energia è riflessa secondo la legge di Snell Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 13

14 Riflessione, diffusione, diffrazione La porzione di energia riflessa è tanto maggiore quanto maggiori sono le dimensioni dell oggetto rispetto alla lunghezza d onda e quanto maggiore è la sua conducibilità Se le irregolarità della superficie dell oggetto non sono trascurabili rispetto alla lunghezza d onda c è diffusione: l onda viene dispersa in modo caotico in tutte le direzioni Ai bordi dell ostacolo c è il fenomeno della diffrazione: l onda supera l ostacolo raggiungendo zone in ombra Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 14

15 Riflessione, diffusione, diffrazione Tale fenomeno è presente ogni qual volta c è un brusco cambiamento nella costante dielettrica e nella premeabilità magnetica del mezzo. Questo avviene anche nell atmosfera (= successione di volumi gassosi con caratteristiche differenti) Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 15

16 Misura della distanza La distanza alla quale si trova il bersaglio (chiamata range) si trova a partire dal tempo che il segnale a radio-frequenza impiega per raggiugnere il bersaglio e tornare indietro Se il bersaglio si trova a distaza r e il segnale radio impiega τ secondi, allora c = 2 r / τ per cui: r = c τ / 2 target Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 16

17 Misura della velocità La velocità viene misurata sfruttando l effetto Doppler L'effetto Doppler è un cambiamento apparente della frequenza di un'onda percepita da un osservatore che si trova in movimento rispetto alla sorgente L'effetto Doppler può essere constatato ascoltando la differenza nel suono emesso dalla sirena di un mezzo di soccorso quando si avvicina e quando si allontana Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 17

18 Effetto Doppler Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 18

19 Effetto Doppler Per comprenderne il principio su cui si basa l effetto Doppler possiamo considerare la seguente analogia: qualcuno lancia una serie di palle ogni secondo nella nostra direzione Assumiamo che le palle viaggino con velocità costante Se colui che le lancia è fermo, riceveremo una palla ogni secondo Se si sta muovendo nella nostra direzione, ne riceveremo un numero maggiore perché esse saranno meno spaziate Al contrario, se si sta allontanando ne riceveremo di meno Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 19

20 Misura della velocità Si supponga che il bersaglio si muova con velocità costante v, in avvicinamento o in allontanamento (= velocità radiale). La posizione del bersaglio è Si supponga che il segnare radio sia una sinusoide a frequenza f 0 x(t) = x 0 + vt Per quanto detto in precedenza, il ritardo con cui viene ricevuto il segnale radio emesso dal radar è y(t) = sin(2πf 0 t + φ) τ = 2x(t) c = 2x 0 c + 2vt c Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 20

21 Misura della velocità Il segnale ricevuto è y(t τ) ( ) = = sin 2πf 0 (t τ) + φ 2x = sin 2πf 0 t 2πf 0 0 c 2πf 2v 0 c t + φ = = sin 2π f 0 2 f v 0 2x t 2πf 0 c 0 c + φ = = sin 2π( f 0 f d )t + φ' ( ) Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 21

22 Misura della velocità Il segnale ricevuto è y(t τ) ( ) = = sin 2πf 0 (t τ) + φ 2x = sin 2πf 0 t 2πf 0 0 c 2πf 2v 0 c t + φ = = sin 2π f 0 2 f v 0 2x t 2πf 0 c 0 c + φ = = sin 2π( f 0 f d )t + φ' ( ) frequenza Doppler Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 22

23 Misura della velocità Il segnale trasmesso ha frequenza f 0, quello ricevuto ha frequenza f 0 f d Poiché f d = 2f 0 v/c, misurando f d si ricava la velocità Nell equazione si è sfruttato il fatto che c = f 0 λ, dove λ è la lunghezza d onda del segnale sinusoidale trasmesso La velocità misurabile è solamente quella radiale (anche chiamata range-rate) v = f dc = f d λ 2 f 0 2 Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 23

24 Misura della velocità Osservazione: attraverso misure successive di posizione (distanze e angoli), si possono comunque ricavare informazioni sulla velocità (non solo quella in range) Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 24

25 Misura della direzione Le informazioni angolari sono ricavata grazie all utilizzo di antenne direttive La direttività di un antenna è la sua capacità di concentrare la potenza trasmessa in una particolare direzione Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 25

26 Misura della direzione Coordinate sferiche Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 26

27 Misura della direzione Azimuth: angolo tra il nord e la proiezione ortogonale del bersaglio sull orizzonte, misurato in senso orario; chiamato anche bearing Elevazione: angolo tra il bersaglio el orizzonte Ruotando l antenna (meccanicamente o elettronicamente) si può quindi stabilire la posizione del bersaglio e monitorare una zona Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 27

28 Tipologie di radar Antenne separate: una per trasmettere e una per ricevere, con circuiterie differenti Monostatici: quando le due antenne sono co-locate, cioè vicine tra di loro Bistatici: quando le antenne sono lontane tra di loro (la distanza è paragonabile a quella del bersaglio) Antenna unica: una sola antenna per trasmettere e per ricevere È un radar monostatico C è bisogno di un duplexer il duplexer (circulator o T/R switch), necessario altrimenti il segnale ad alta potenza generato finirebbe negli apparati di ricezione distruggendoli Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 28

29 Tipologie di radar Doppler radar: radar in grado di misurare la velocità sfruttando l effetto Doppler Si dividono in: CW: a onda continua (continuous waveform), che trasmettono onde continue (tipicamente sinusoidali); si dividono in Unmodulated CW: utilizzano forme d onda non modulate FMCW: utilizzano forme d onda modulate in frequenza (FM sta per frequency modulated) Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 29

30 Tipologie di radar Pulse-Doppler: trasmettono treni di impuldi di breve durata; si dividono a loro volta in LPRF: a bassa frequenza di ripetizione degli impulsi MPRF: a media frequenza di ripetizione degli impulsi HPRF: ad alta frequenza di ripetizione degli impulsi Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 30

31 Tipologie di radar Doppler Radar Pulse-Doppler Radar CW Radar unmodulated Grossi/Venturino FM LPRF Sistemi radiocomunicazione e radar MPRF HPRF 31

32 CW Radar Il vantaggio principale è che l energia non è inviata a impulsi per cui sono facili da costruire e da operare Non hanno ambiguità in range come i Pulse-Doppler radar (vedi oltre), anche se questo è comunque limitato dalla potenza trasmessa Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 32

33 Unmodulated CW Radar Trasmettono un segnale sinusoidale a frequenza fissa Misurano la velocità con elevata accuratezza ma non possono misurare il range: bersagli fermi non causano effetto Doppler Sono molto economici; sono tipicamente utilizzati nello sport, come autovelox, etc. Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 33

34 FMCW Radar Trasmettono un segnale sinusoidale a frequenza variabile, cioè un segnale continuo modulato in frequenza. Il segnale modulante è una forma d onda triangolare Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 34

35 FMCW Radar Sono in grado di misurare sia la velocità che la distanza: La velocità è misurata osservando la differenza di frequenza tra il segnale trasmesso e quello ricevuto (effetto Doppler) La distanza è misurata a partire dal ritardo, che si ricava dalla frequenza istantanea Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 35

36 FMCW Radar Frequenza istantanea del segnale trasmesso (in rosso) e ricevuto (in verde): Da Δ t (il ritardo) si ricava la posizione Da Δ f (la frequenza Doppler) si ricava la velocità Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 36

37 FMCW Radar Possono impiegare una sola antenna (Tramite un circulator, vedo oltre) o 2: una per trasmettere e una per ricevere Vengono utilizzati come altimetri (es., sistemi di atterraggio di aerei), come radar early warning o come sensodi di prossimità Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 37

38 Pulse-Doppler Radar Trasmettono una brevi (cioè da decine di ns a decine di µs) impulsi a radiofrequenza ripetuti ciclicamente Si tratta di una modulazione di ampiezza di tipo on-off Normalmente si utilizza una sola antenna così che il radar passa in modalità ricevente tra un impulso e l altro Sono utilizzabili in quasi tutte le applicazioni Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 38

39 Pulse-Doppler Radar I parametri comuni sono T PRT (pulse repetition time): è il periodo del treno d impulsi PRF (pulse repetition frequency): è la frequenza con la quale sono emessi gli impulsi, quindi PRF = 1 / PRT T: è la durata di un impulso Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 39

40 Pulse-Doppler Radar La distanza si misura a partire dal ritardo. Tuttavia, data la forma periodica del segnale, potrebbero esserci ambiguità: PRT Il bersaglio 2 (segnale Rx2) è l eco di Tx1 (si trova a distanza C) o di Tx2 (si trova a distanza B)? Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 40

41 Pulse-Doppler Radar PRT Il massimo ritardo misurabile senza ambiguità è PRT T Il massimo range misurabile senza ambiguità è quindi R max = c(prt T) 2 Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 41

42 Pulse-Doppler Radar PRT Se si vuole rimuovere l ambiguità in range si può utilizzare lo staggering di frequenza: si cambia frequenza a ogni impulso cosicché se Rx2 ha frequenza 2, allora è l eco di Tx2 e si trova al range B se Rx2 ha frequenza 1, allora è l eco di Tx1 e si trova al range C Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 42

43 Pulse-Doppler Radar PRT In ogni caso, il massimo range è limitato dalla potenza trasmessa Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 43

44 Pulse-Doppler Radar PRT Il minimo ritardo misurabile è T: solo dopo aver trasmesso il primo impulso il radar passa in modalità ascolto Il minimo range misurabile è quindi R min = ct 2 Osservazione: se T = 1 µs, R min = 150 m Grossi/Venturino Sistemi radiocomunicazione e radar 44