PROGETTO PON01_01503/F1

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1 Scuola Nazionale, maggio 2002 IL SENSORE RADAR Lezione 3 1

2 Indice Scuola Nazionale, maggio 2002 Principi di funzionamento del radar Configurazione radar non coerente Trasmettirore Antenna direttività guadagno area effettiva Ricevitore minimum detectable signal linearità Configurazione radar coerente Sistemi polarimetrici PROGETTO RADARMETEOROLOGIA PON01_01503/F1 Lezione 2 - Sensore ESPRI ESperto Master in Previsione/Prevenzione in Meteorologia Applicata Rischio Idrogeologico radar 2

3 Scuola Nazionale, maggio 2002 Come funziona un radar Il radar si basa sull invio di un treno di onde elettromagnetiche. Tale impulso è caratterizzato da elevata potenza e breve durata. L onda elettromagnetica interagisce con la materia, con oggetti presenti in atmosfera. Parte dell energia irradiata è assorbita dai bersagli e rediffusa in tutte le direzioni. Alcuni tipici bersagli La terra e il mare; Le gocce d acqua; I cristalli di ghiaccio; La neve e la grandine; Gli insetti e gli uccelli. L energia che arriva all antenna radar è catturata e analizzata. 3

4 Sensor Sub-system Schema sensore radar Radar Antenna Unit (RAU) Scuola Nazionale, maggio 2002 Product Sub-system Antenna Pedestal Unit (APU) Servo System Unit (SSU) Radar Transmistter Unit (RTU) Radar Product Archive Radar Product Visualizer (RPV) Radar Product Generator (RPG) Backup Power Unit (BPU) Radar Receiver Unit (RRU) Radar Remote Controller (RRC) Processor Sub-system Radar Control Processor (RCP) Radar Signal Processor (RSP) Radar Data Archive Temporary Archive Radar Data Processor (RDP) DTS Lezione 2 - Sensore radar 4

5 Scuola Nazionale, maggio 2002 Un radar è costituito da: Trasmettitore (TX) Ricevitore (RX) Antenna Switch Elaboratore Display TX switch antenna RX Elaboratore Display 5

6 Trasmettitore Scuola Nazionale, maggio 2002 Produce impulsi di alta potenza ( dell ordine di 10 2 kw) alla frequenza prefissata. Gli impulsi sono molto brevi (dell ordine del s) Ricevitore Riceve, amplifica e converte l energia ricevuta. Il ricevitore deve essere molto sensibile (le potenze ricevute dell ordine di W). Antenna Rappresenta l interfaccia tra l apparato di misura e l atmosfera. Ha il compito di focalizzare l energia irradiata in un fascio collimato di apertura nota e di intercettare l energia retro-diffusa dal bersaglio. T/R Switch La presenza di questo dispositivo On/Off dipende dalla configurazione del radar. Se presente permette l utilizzo delle guide 6 d onda in Tx ESPRI e ESperto Rx. in Previsione/Prevenzione Rischio Idrogeologico

7 Scuola Nazionale, maggio 2002 Rispetto ad altre tecniche di osservazione dell atmosfera i radar offrono i seguenti vantaggi: il segnale radar non dipende dal sole (come fonte luminosa) o dall emissività del bersaglio Le acquisizioni possono essere fatte in 3 dimensioni l osservazione non perturba il bersaglio I dati sono immediatamente disponibili 7

8 Capacità di monitoraggio dei sistemi radar Elevata copertura spaziale Elevata risoluzione spazio-temporale Complementarietà con altri sensori (terrestri/spaziali) Descrizione fenomeni locali Scuola Nazionale, maggio 2002 Network - descrizione spazio/temporale dettagliata di fenomeni di dimensioni rilevanti 8

9 Scuola Nazionale, maggio 2002 Sensore radar 9

10 Scuola Nazionale, maggio 2002 PRF - Pulse Repetition Frequency - numero di impulsi radar al secondo. Se T è il periodo, PRF = 1/T. - durata impulso trasmesso f - frequenza base 1/PRF T PRF: Hz : s f: 3 10 GHz λ: 10 3 cm 10

11 Scuola Nazionale, maggio 2002 Lezione 2 - Sensore radar 11

12 Scuola Nazionale, maggio 2002 Frequenze tipiche della Radar Meteorologia Frequenza [GHz] Lunghezza d onda [cm] Banda 30 1 K 10 3 X 6 5 C 3 10 S 12

13 t=0 t=2d/c+ t=d/c Principio di funzionamento del radar (bersaglio puntiforme) Tx Rx Scuola Nazionale, maggio 2002 Antenna d 13

14 Scuola Nazionale, maggio 2002 Principio di funzionamento del radar L ampiezza (o la potenza) del segnale ricevuto è funzione delle caratteristiche del bersaglio Il ritardo dell eco radar rispetto all impulso trasmesso consente di ricavare la distanza del bersaglio secondo la relazione r = c t/2 Detto T è il periodo di ripetizione degli impulsi a radiofrequenza, la portata radar è pari a c T/2 r r max max ct 2 2 c PRF PRF 1 T 14

15 Scuola Nazionale, maggio 2002 Risoluzione radiale Per risoluzione radiale si intende la più piccola porzione di atmosfera, misurata lungo il range, che può essere esplorata r min c 2 15

16 Durata dell impulso [ s ] Risoluzione radiale [m] Scuola Nazionale, maggio 2002 PRF [Hz ] Portata radar [km]

17 Schema radar non coerente Scuola Nazionale, maggio 2002 Lezione 2 - Sensore radar 17

18 Componenti Scuola Nazionale, maggio 2002 Master Oscillator oscillatore principale Modulator determina la forma ( ) e la PRF Power oscillator Magnetron/Klystron Duplexer Circolatore Local Oscillator Determina la frequenza di mixer Amplificatore TX RX Lezione 2 - Sensore radar 18

19 Processazione segnale Scuola Nazionale, maggio 2002 Segnale trasmesso (GHz) S t Acos 2 RF 0 f t rect f r t Segnale di ritorno x RF t a t cos 2 f 0 t t Combinazione (mixer) xmix t a t cos 2 f0t t bcos 2 ( f0 fc) t Segnale a frequenza intermedia (MHz) x x IF IF t t a a t b cos 2 2 t cos 2 f t c f c t t t» segnale in banda base (khz) x BB t x IF t 2 a t 2 Lezione 2 - Sensore radar 19

20 Scuola Nazionale, maggio 2002 Il TRASMETTITORE 20

21 Scuola Nazionale, maggio 2002 TRASMETTITORE Ovvero come viene generato il segnale trasmesso S t Acos 2 RF 0 f t rect f r t PROGETTO RADARMETEOROLOGIA PON01_01503/F1 Lezione 2 - Sensore ESPRI ESperto Master in Previsione/Prevenzione in Meteorologia Applicata Rischio Idrogeologico radar 21

22 Scuola Nazionale, maggio 2002 Trasmettitori a microonde ad alta potenza MAGNETRON tubo a microonde (sostanzialmente una valvola) con struttura cilindrica, può arrivare a potenze fino a 2000 kw. Una differenza di potenziale (fino a 50 kv) è applicata tra il catodo e l anodo. Il fascio di elettroni emesso è modulato spazialmente determinando il segnale a radio-frequenza. Questo tipo di emettitore non garantisce un elevata purezza spettrale e la coerenza di fase. KLYSTRON Questo è solamente un amplificatore con struttura lineare. Il fascio di elettroni è generato da un cannone elettronico e passa attraverso due o più cavità risonanti ed è, alla fine, raccolto da un collettore. Questo schema garantisce una elevata purezza spettrale e la coerenza di fase. Questo sistema è di qualità superiore, ma costa notevolmente di più. 22

23 Trasmettitore - schema a blocchi - Scuola Nazionale, maggio 2002 HV power supply modulator pulse transf. Klystron filament power supply ionic pump power supply Cooling unit focalizer power supply klystron circulator pressur. unit T To antenna Klystron driver receiver unit Lezione 2 - Sensore radar 23

24 Trasmettitore - impulso R.F. e corrente klystron - Scuola Nazionale, maggio 2002 Corrente di catodo Inviluppo impulso RF PROGETTO RADARMETEOROLOGIA PON01_01503/F1 Lezione 2 - Sensore ESPRI ESperto Master in Previsione/Prevenzione in Meteorologia Applicata Rischio Idrogeologico radar 24

25 Trasmettitore - misura dell impulso R.F. - Scuola Nazionale, maggio 2002 Tx Rx Polarization Switch -30 db V H Antenna attenuator Crystal detector P av,max = 200mW P max = 10W Oscilloscope PROGETTO RADARMETEOROLOGIA PON01_01503/F1 Lezione 2 - Sensore ESPRI ESperto Master in Previsione/Prevenzione in Meteorologia Applicata Rischio Idrogeologico radar 25

26 Scuola Nazionale, maggio 2002 L ANTENNA 26

27 Scuola Nazionale, maggio 2002 ANTENNA La funzione dell antenna è di inviare/ricevere il segnale a microonde dal radar all atmosfera e viceversa. Una caratteristica importante è la capacità di focalizzare il fascio elettromagnetico entro una ristretta apertura angolare. Il fascio è ottenuto con l aiuto di un riflettore di forma parabolica, illuminato dalla sorgente primaria (normalmente un HORN posto nel fuoco della parabola). 27

28 Scuola Nazionale, maggio 2002 La transizione tra la propagazione in guida d onda e la propagazione in atmosfera libera è assicurata dal horn. E costruito in modo tale da adattare la funzione d illuminazione alla forma e alla dimensione della parabola. La funzione d illuminazione descrive la distribuzione d energia elettromagnetica. La far-field region (o regione di Fraunhofer) è caratterizzata da un fascio ben collimato. Paraboloide classico La regione di Fraunhofer inizia a circa : r = 2d 2 / ES: per un radar in banda C (5cm) equipaggiato con un antenna di 4 m di diametro il fascio è collimato dopo circa 640 m 28

29 Il diagramma d antenna Scuola Nazionale, maggio 2002 Descrive come l antenna irradia la potenza generata dal trasmettitore. Visualizza e rappresenta il fascio collimato. Per convenzione viene fornito come caratteristica dell antenna l apertura in gradi del fascio a -3dB (mezza potenza). Per un antenna parabolica illuminata gaussianamente l ampiezza a -3dB è 3dB 70 d [ ] 29

30 DIRETTIVITA Scuola Nazionale, maggio 2002 Per direttività si intende la capacità di un antenna di concentrare l energia irradiata in una specifica direzione. La direttività è misurata come il rapporto tra l energia irradiata, per unità di angolo solido, e l energia irradiata da una antenna isotropica. D, S d r, iso 1 4 sin Sr S 4 d d, r, iso S r, d Angolo Energia solido distribuit a uniformeme nte 30

31 GUADAGNO Scuola Nazionale, maggio 2002 Il guadagno d antenna esprime la capacità di concentrare l energia in una direzione specifica, tenendo in considerazione anche le perdite d antenna. Perdite d antenna => rapporto tra energia disponibile e quella effettivamente irradiata. Varia tra 0.5 e 0.7. Si incida con l. G G G 0,, Guadagno l D G F 0 n, massimo, l S r S r,, d 31

32 Area Effettiva Scuola Nazionale, maggio 2002 In un sistema con illuminazione non uniforme il guadagno e la direttività non sono (direttamente) funzione dell area fisica dell antenna. In questo caso si riferisce la direttività ad un antenna equivalente la cui apertura fisica è uguale all apertura Area Effettiva. D 0 4 A 2 e G 0 l D 0 l 4 A 2 e A e, 2 l G 4 0 f n, 2 32

33 Scuola Nazionale, maggio 2002 Nome RADAR NEXRAD GPM-550c ETH Banda S C X Frequenza [GHz] 2,80 5,43 9,50 Lunghezza d'onda [cm] 10,71 5,52 3,16 Potenza Trasmessa [kw] Diametro antenna [m] 8,50 5,00 1,00 Apertura a 3dB [ ] 0,91 0,90 2,40 Guadagno [db] 44,05 46,00 36,60 PRF [Hz] Durata Impulso [µs] 0,35 0,5-1,1 0,25 33

34 Antenna - geometria e caratteristiche - Scuola Nazionale, maggio 2002 Cassegrain dual-offset - fascio di 0.9 (a -3 db) - velocità max 30 deg/s - lobi secondari molto bassi - ottima simmetria tra H e V - guadagno d antenna 45dB PROGETTO RADARMETEOROLOGIA PON01_01503/F1 Lezione 2 - Sensore ESPRI ESperto Master in Previsione/Prevenzione in Meteorologia Applicata Rischio Idrogeologico radar 34

35 Antenna - verifiche periodiche - Scuola Nazionale, maggio 2002 Nella gestione operativa di un sistema radar meteorologico è opportuno prevedere, tra l altro, la verifica periodica del corretto puntamento dell antenna. Effetto del sole PUNTAMENTO DEL SOLE la cui posizione è ben nota Lezione 2 - Sensore radar 35

36 Scuola Nazionale, maggio 2002 RADOME Per proteggerla da particolari condizioni atmosferiche (es. installazioni fatte ad alta quota) l antenna viene posta all interno di una protezione (sfera rigida) denominata radome. Il radome è fatto di materiale con scarso potere assorbente le microonde (teflon, fibra di vetro). Questa protezione influenza notevolmente il fascio radar in caso di precipitazione. In queste condizioni si forma un film di acqua che attenua in maniera significativa (alcuni db) l energia irradiata. 36

37 RICEVITORE Ovvero come sentire il segnale RADARMETEOROLOGIA Master in Meteorologia Applicata Lezione 2 - Sensore radar 37

38 Scuola Nazionale, maggio 2002 Il ricevitore è costruito per rivelare e amplificare i segnali, anche molto deboli, ricevuti dall antenna. LOGARITMICO Il valore in uscita dal ricevitore è direttamente proporzionale alla potenza ricevuta. Dato che V out A(t) 2 questo ricevitore non è in grado di estrarre informazioni sulla fase. LINEARE Il valore in uscita è direttamente proporzionale al segnale in ingresso. Questo sistema permette di estrarre informazioni sulla fase del segnale. 38

39 RICEVITORE Il ricevitore è costruito per rilevare e amplificare dei segnali molto deboli ricevuti dall antenna. I ricevitori dei radar meteorologici sono del tipo superheterodyne, vale a dire che il segnale ricevuto è mischiato con un segnale a frequenza nota in modo da ottenere un segnale a frequenza inferiore (e quindi molto più facile da trattare). Questo segnale è a sua volta ri-amplificato per estrarre l informazione. xmix t a t cos 2 f0t t bcos 2 ( f0 fc) t Informazione a R.F. RADARMETEOROLOGIA Master in Meteorologia Applicata Oscillatore locale x x IF IF t t a a t b cos 2 2 t cos 2 f t Lezione 2 - Sensore radar 39 c f c t t t

40 Ricevitore - sezione I.F. - H.F. section Bandwidth selection Adapt. filter I.F. LOG amplifier LOG video out RADARMETEOROLOGIA Master in Meteorologia Applicata Lezione 2 - Sensore radar 41

41 RICEVITORE È noto che a dispetto della capacità di amplificare un segnale piccolo a piacere, non è possibile distingure un segnale arbitrariamente piccolo per la presenza di un fluttuazione elettrica casuale (NOISE). Se il segnale che entra nel ricevitore è via via più debole, può diventare indistinguibile dalla agitazione termica di sfondo. Le sorgenti di questo rumore di fondo sono sia di origine naturale (radiazione cosmica, emissioni atmosferiche H 2 O, O 2 ) che di natura antropica (inquinamento elettromagnetico). La causa principale è però da ricercare nell agitazione termica delle componenti stesse del ricevitore. RADARMETEOROLOGIA Master in Meteorologia Applicata Lezione 2 - Sensore radar 42

42 MINIMUM DETECTABLE SIGNAL N k T 0 B i n kt B La quantità di energia emessa da una sorgente a temperatura nota è: n -23 K (temperatura di riferiment o) bandwidth Joule/degr ee del ricevitore (costante di Boltzmann) Questo perché alle frequenze utilizzate il rumore termico è indipendente dalla frequenza I ricevitori non sono, normalmente, in un ambiente alla temperature di riferimento ed inoltre sono oggetti reali. Si introduce quindi il concetto di noise factor. Per noise factor (F) si intende il valore che riporta la temperatura reale a Te T0 Fn 1 quella di riferimento. T e temperatura equivalente RADARMETEOROLOGIA Master in Meteorologia Applicata Lezione 2 - Sensore radar 43

43 Schema radar coerente Scuola Nazionale, maggio 2002 PROGETTO RADARMETEOROLOGIA PON01_01503/F1 Lezione 2 - Sensore ESPRI ESperto Master in Previsione/Prevenzione in Meteorologia Applicata Rischio Idrogeologico radar 45

44 TIPI DI RICEVITORE LOGARITMICO Il valore in uscita dal ricevitore è direttamente proporzionale alla potenza ricevuta. Questo tipo di ricevitore è quello più comunemente utilizzato nei radar analogici e nei sistemi non coerenti. Dato che V out A(t) 2 questo ricevitore non è in grado di estrarre informazioni sulla fase. LINEARE Il valore in uscita è direttamente proporzionale al segnale in ingresso. Questo sistema permette di estrarre informazioni sulla fase del segnale. Utilizzato nei radar coerenti. RADARMETEOROLOGIA Master in Meteorologia Applicata Lezione 2 - Sensore radar 46

45 Ricevitore - sezione I.F. - caratteristica amplificatore LOG - MDS (minimo segnale rilevabile): indicativamente -100 dbm. La potenza dell eco radar dei bersagli meteo può assumere valori anche di 80 90dB ( volte) superiori all MDS. L amplificatore LOG deve quindi lavorare in regime lineare (fornire una tensione di uscita proporzionale alla potenza di ingresso espressa in dbm) a partire dall MDS, ed avere una dinamica di almeno 80 90dB RADARMETEOROLOGIA Master in Meteorologia Applicata Lezione 2 - Sensore radar 47

46 Vout [mv] Ricevitore - sezione I.F. - caratteristica dell amplificatore LOG saturazione MDS (interdizione) RADARMETEOROLOGIA Master in Meteorologia Applicata Pin [dbm] Lezione 2 - Sensore radar 49

47 Pout [dbm] Ricevitore - sezione I.F. - caratteristica dell amplificatore LIN saturazione Dinamica 35 db Pin [dbm] RADARMETEOROLOGIA Master in Meteorologia Applicata Lezione 2 - Sensore radar 52

48 Principio di funzionamento del radar V Rx (bersaglio distribuito) t t 0 L eco ricevuto all istante t0 è la somma dei contributi di tutti i bersagli elementari che si trovano ad una distanza dal radar compresa tra c (t 0 - )/2 e c t 0 /2 Il segnale ricevuto viene prima campionato (nel GPM-500C con una frequenza di 2.4 MHz, ossia ogni 417 ns) e quindi i campioni vengono processati. Ogni campione è rappresentativo di un volume elementare (tronco di cono) con altezza pari a (c )/2 RADARMETEOROLOGIA Master in Meteorologia Applicata Lezione 2 - Sensore radar 56

49 NETWORK POLARIMETRICO RADARMETEOROLOGIA Master in Meteorologia Applicata Lezione 2 - Sensore radar 57

50 Trasmissione alternata RADARMETEOROLOGIA Master in Meteorologia Applicata Lezione 2 - Sensore radar 58

51 Trasmissione simultanea RADARMETEOROLOGIA Master in Meteorologia Applicata Lezione 2 - Sensore radar 59

52 feeder Circuito in guida d onda Tx Tx power monitor -30 db driver -60 db Polarization Switch Rx TR limiter calibration H V antenna -30 db -30 db RADARMETEOROLOGIA Master in Meteorologia Applicata Lezione 2 - Sensore radar 60

53 Circuito in guida d onda - caratteristiche dello switch di polarizzazione - driver PERDITE DI INSERZIONE: 0.6 ISOLAMENTO: > 26 db 0.7 db Rx/Tx Polarization Switch H V TEMPO DI COMMUTAZIONE: 2 s -30 db -30 db RADARMETEOROLOGIA Master in Meteorologia Applicata Lezione 2 - Sensore radar 61