domande e risposte in breve
VERSIONE ITALIANA
Ultimo aggiornamento Aug, 05, 03
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Qual'è la differenza tra radar di scoperta e radar di inseguimento?
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I radar di scoperta sono sistemi destinati all'esplorazione sistematica di un ampio volume di spazio (tipicamente, per radar di scoperta aerea, l'esplorazione avviene su 360° in azimuth e su angoli di elevazione compresi tra 20-30° fino a quasi 90°, processando gli echi ricevuti nell'intera PRI - cioè su tutto il range di distanza osservabile) utilizzando differenti tecniche di scansione.
Per contro, i radar di inseguimento rimangono "agganciati" su uno specifico bersaglio allo scopo di fornire con continuità informazioni sulla sua posizione e moto. Solitamente, impiegano un fascio d'antenna "a matita" ("pencil beam") stretto sia in elevazione che in azimuth, mantenuto costantemente puntato sul bersaglio. Inoltre, soltanto la finestra di distanza corrispondente all'eco del bersaglio e la sue immediate prossimità viene elaborato.
Essi vengono, normalmente, diretti da mezzi di scoperta esterni (radar di scoperta) per la localizzazione iniziale del bersaglio.
I radar di inseguimento impiegano sistemi di controllo ad "anello chiuso" (sistemi retroazionati) per mantenere il puntamento sul bersaglio sia in direzione che in distanza. Per l'inseguimento in direzione (azimuth/elevazione) differenti tecniche, come la scansione conica o il monopulse sono impiegate per determinare se il bersaglio non e' esattamente allineato col centro del fascio d'antenna, e la direzione ed ampiezza della deviazione. Tale segnale errore è impiegato per pilotare il servomeccanismo di puntamento di antenna (o il sistema di controllo di scansione, per i radar a scansione elettronica) per mantenere il fascio centrato sul bersaglio.
Analogamente, l'inseguimento in distanza è effettuato determinando la posizione del "baricentro" dell'eco - o, per applicazioni particolari, del suo fronte iniziale - rispetto alla "finestra" di osservazione (utilizzando, p. es., la tecnica early gate-late gate, in cui le ampiezze di due campioni prelevati sul fronte di salita e di discesa dell'eco - che, dopo, il filtraggio, è approssimativamente triangolare - sono confrontate per generare il segnale di correzione) per generare un segnale errore che muove temporalmente la finestra in distanza per mantenervi il bersaglio centrato.
Come funzionano i sistemi di inseguimento a scansione conica e monopulse?
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Per poter effettuare l'inseguimento in angolo di un oggetto, è necessario essere in grado di determinare di quanto, e in che direzione, l'oggetto è spostato rispetto al centro del fascio radar. La prima tecnica utilizzata a questo scopo è stata la cosiddetta lobatura sequenziale.
In pratica, in genere utilizzando dei feed di antenna multipli, il fascio era sequenzialmente puntato leggermente spostato, nelle 4 direzioni, rispetto all'asse di antenna. Confrontando le ampiezze destro-sinistro e alto-basso, era possibile determinare lo spostamento rispetto all'asse in azimut ed elevazione.
La scansione conica costituisce un'evoluzione di questa tecnica, in cui il fascio viene mosso continuamente descrivendo un movimento di nutazione rispetto all'asse di antenna (tipicamente, ciò e' ottenuto con una nutazione del feeder, a frequenze di qualche decina di Hz). Un bersaglio non in asse dara' quindi luogo ad un'eco modulato in ampiezza (alla frequenza di scansione). La profondita' di modulazione sarà proporzionale all'entità dell'errore, mentre la sua fase dipenderà dalla direzione in cui è spostato il bersaglio.
Demodulando l'inviluppo della modulazione secondo le componenti seno e coseno, è possibile estrarre gli errori in azimut ed elevazione.
Sia la lobatura sequenziale che la scansione conica presentano lo svantaggio di essere affetti da errori dovuti alle possibili fluttazioni dell'ampiezza dell'eco (glint) durante la scansione. Per evitare tali errori, è necessario misurare l'errore in angolo sulla base di un singolo impulso: è ciò che viene fatto con la tecnica di lobatura simultanea o monopulse.
Nella tecnica monopulse, vengono elaborati simultaneamente 4 distinti fasci, spostati rispetto all'asse:
| A | B |
| C | D |
Tramite appositi combinatori, vengono quindi generati 3 canali: differenza in azimut = (A+C) - (B + D), differenza in elevazione = (A + B) - (C + D), somma = A + B + C +D.
Il canale somma è usato per la trasmissione e, in ricezione, per l'inseguimento in distanza. I canali differenza, normalizzati in ampiezza e fase rispetto al canale somma, forniscono gli errori in angolo.
Com'e' effettuata esattamente la scansione di un radar di scoperta?
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Esistono molti possibili modi di scansione. I radar di scoperta "classici" utilizzano una antenna con fascio "a ventaglio" (fan beam), stretto in azimut ma molto ampio in elevazione (in modo di non avere necessita' di scandire in elevazione), rotante su 360°. Questo significa che non è possibile discriminare l'elevazione del bersaglio, e le informazioni ottenibili sono limitate a distanza ed azimut (radar bidimensionale o 2-D). L'informazione di quota, quando necessaria, viene ottenuta con mezzi esterni: gli aerei di linea trasmettono, insieme ad altre informazioni, il loro livello di volo tramite il trasponditore del radar secondario; nei sistemi di difesa aerea, appositi radar "higth-finder", con fascio a ventaglio ruotato di 90° e scansione in elevazione, erano usati, in associazione ai radar principali, per determinare la quota dei velivoli oggetto di intercettazione.
Per ottenere l'informazione di posizione tridimensionale senza ricorrere a sistemi esterni, è necessario disporre della possibilità di effettuare la scansione anche in elevazione, oltre che in azimut. Le velocità di scansione necessarie a coprire in tempo utile i 360 gradi sono però tali da essere incompatibili con sistemi di scansione meccanca.
E' per questo motivo che i moderni radar di scoperta tridimensionali (3-D) fanno uso della cosiddetta "scansione elettronica", utilizzando la tecnica di scansione di fase (phased array) in varie forme.
Tali sistemi normalmente abbinano una scansione in azimut
effettuata in maniera convenzionale, mediante rotazione dell'antenna
su 360°, una scansione in elevazione effettuata elettronicamente con
la tecnica sopra citata.
Come funziona un'antenna a "Scansione di fase" (Phased Array)?
In una classica antenna a riflettore parabolico, il segnale proveniente da un'unico punto di illuminazione (feeder), viene riflesso dal riflettore in modo da formare un fronte d'onda piano. Avendo invece un'antenna costituita da una serie di radiatori disposti su una superficie piana ed alimentati in fase (vedi figura), i fronti dei segnali dei singoli radiatori si combinano a formare un'onda piana che si propaga in direzione normale al piano del radiatore.
Nel caso i segnali che alimentano i radiatori siano progressivamente sfasati l'uno rispetto all'altro, la combinazione dei fronti d'onda dara' sempre luogo ad un'onda piana, ma che si propaghera' in direzione diversa rispetto alla normale al piano, e dipendente dallo sfasamento esistente tra i singoli emettitori.
Controllando opportunamente le fasi dei singoli radiatori, è dunque possibile "costruire" fronti d'onda che si propagano in direzioni diverse, controllando quindi elettronicamente l'orientamento del fascio d'antenna (tipicamente entro circa +/- 45°).
Ciò viene realizzato utilizzando opportuni dispositivi sfasatori (phase shifters) controllati elettronicamente, ovvero con altre tecniche (p.es. alimentando i radiatori attraverso diverse lunghezze elettriche e variando la frequenza, e, conseguentemente le fasi relative).
Questa tecnica di sintesi del fascio d'antenna puo' essere utilizzata sia su un solo piano (tipicamente elevazione) mantenendo la scansione meccanica sull'altro (l'antenna è quindi costituita da svariate "righe" di radiatori alimentati insieme) sia su due piani (e in questo caso, l'antenna e' costituita da una matrice di radiatori ognuno con controllo di fase indipendente) in modo da eliminare la necessità della scansione meccanica, almeno nel settore che può essere coperto tramite la scansione elettronica.
Ovviamente, quest'ultima soluzione è la piu' complessa, richedendo un controllo continuo di centinaia o migliaia di sfasatori per controllare la scansione sui due piani, ed è quindi utilizzata solo per esigenze particolari.
Cos'e' il funzionamento a "PRF staggered"?
Il funzionamento a PRF "staggered" (sfalsate) è utilizzato da molti radar moderni (praticamente tutti, in varie forme).
Il funzionamento con PRF staggered è utilizzato fondamentalmente per gestire gli echi di traccia multipla. Infatti, come accennato nella introduzione al radar, gli oggetti a distanza maggiore di Ru=c.T/2 (dove T è il periodo di ripetizione di impulso =1/PRF) appaiono come echi dell'impulso seguente, a distanza minore di quella reale.
La distanza apparente è Ra = Rr-Ru dove Rr è la distanza reale.
E' possibile rimuovere tale ambiguità in distanza cambiando la PRI durante il time-on-target (tempo durante il quale il bersaglio è illuminato dal fascio). Usando PRI differenti, il bersaglio apparirà a differenti distanze fittizie. Utilizzando un opportuno algoritmo, è possibile quindi risolvere l'eco come un'eco di seconda traccia, e determinarne la distanza effettiva. Come regola generale, l'uso di n differenti PRI permette di risolvere echi ambigui fino alla n-esima traccia (generalmente, se ne impiegano 3 o 4). E' possibile cambiare PRI ad ogni impulso trasmesso, ma, generalmente, nei radar moderni che impiegano elaborazione "a pacchetti", il cambiamento avviene su base di pacchetto (tipicamente, alcune decine di impulsi). Si noti che molti moderni radar di scoperta aerea (i cosidetti radar "pulse-doppler") lavorano intenzionalmente con PRF tali da avere normalmente ambiguità in distanza, allo scopo di campionare l'eco a frequenze superiori al massimo spostamento doppler atteso, per evitare ambiguità in doppler. La capacità di risolvere le ambiguità in distanza diventa quindi, in questi sistemi, fondamentale.
[evitare le ambiguità in distanza richiede PRF basse, mentre evitare le ambiguità in doppler richiede PRF alte. Il compromesso tra queste due esigenze è un elemento fondamentale del progetto di radar: normalmente, si è costretti ad eccettare e risolvere ambiguità in uno di tali parametri, o in entrambi.]
Almeno 3 PRF sono necessarie, in quanto, per bersagli a distanza pari ad Ru, il radar è cieco (sta trasmettendo un altro impulso, e il ricevitore è quindi disattivato).
Utilizzando 3 PRI differenti, ciò accade solo in un pacchetto ogni 3, permettendo l'impiego di un algoritmo di detezione ragionevole (2 di 3).
La tecnica di PRF staggering può anche essere usata come ECCM. Infatti, rende difficile per il disturbatore predire il tempo di arrivo dell'impulso successivo, rendendo, ad esempio, inefficace l'impiego di inganni del tipo "range gate pull in". Comunque, ove la funzione è di sola ECCM, l'impiego del "PRF jittering" (variazione casuale della PRF da impulso a impulso) è generalmente preferita.
E'
possibile ricostruire dettagli di dimensioni inferiori alla risoluzione
angolare?
Se si, come?
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Si e no.
Nel senso che non e' possibile ricostruire dettagli di dimensioni
inferiori alla cella di risoluzione del radar, ma, se c'e' moto relativo
(tangenziale) tra il sensore e l'oggetto osservato, la risoluzione angolare
ottenibile NON e' necessariamente quella corrispondente alla apertura
"fisica" del fascio di antenna.
Il trucco sta tutto in una tecnica chiamata "apertura sintetica". In pratica, processando coerentemente i ritorni ottenuti mentre il radar si sposta tangenzialmente al bersaglio, e' un pò come se il radar si venisse a trovare, sia pure in tempi diversi, in diversi punti di una "antenna virtuale" lunga quanto la distanza percorsa dal radar mentre osserva il bersaglio.
Un altro modo di vedere lo stesso effetto, e' di immaginare un radar (supponiamo che emetta un segnale continuo) che si muova passando al traverso di un bersaglio puntiforme. L'eco avra' uno spostamento doppler positivo per bersaglio a < di 90 gradi rispetto alla direzione di moto (in avvicinamento) , nullo a 90 gradi, negativo per > 90 gradi (allontanamento).
E' quindi possibile, analizzando la storia doppler dell'eco, determinarne la posizione angolare con una risoluzione superiore a quella data dall'apertura del fascio di antenna.
Sia che la si veda in un modo, sia nell'altro, si arriva comunque alla (apparentemente assurda) conclusione che, se l'antenna ha orientamento fisso rispetto alla direzione di moto (come avviene nei normali radar ad apertura sintetica - SAR - cosiddetti "stripmap"), la risoluzione (in metri) e' indipendente dalla distanza del bersaglio ed e' proporzionale alla dimensione dell'antenna. Per l'esattezza è L/2 per un'antenna di lunghezza L.
Questo perche', per un'antenna piu' piccola, il fascio piu' largo permette di avere il bersaglio piu' a lungo nel fascio stesso, ottenendo cosi' una antenna sintetica piu' grande.E l'aumento della distanza e' pure compensato dall'aumento di risoluzione angolare attenuto grazie all'aumento della "base di antenna" lungo cui il bersaglio rimane osservabile.
Ovviamente, realizzare una cosa del genere in pratica e' molto piu' complicato di quanto detto sopra (la distanza rispetto al bersaglio cambia continuamente, quindi occorre compensare le variazioni di vase e lo spostamento rispetto alla cella di risoluzione in distanza, per esempio) Ed effettuare la correlazione su ogni singolo pixel richiede notevoli risorse computazionali.
Comunque, si fa.
maggiori informazioni sui radar ad apertura sintetica le trovate qui.
Cos'e' il funzionamento "Coherent-on-receive" ?
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Ai tempi dei primi radar, il solo dispositivo disponibile in grado di produrre
alte potenze nella banda delle microonde, e quindi, utilizzabile per realizzare
trasmettitori radar, era il tubo Magnetron.
Sfortunatamente, il magnetron non e' un amplificatore, ma un oscillatore
di potenza, che fornisce in uscita un impulso di energia a microonde (con
fase iniziale casuale) ogni volta che al catodo e' applicato un impulso di
alta tensione.
Ciò non comporta problemi in applicazioni che non richiedono il
funzionamento coerente: se non vi è necessità di discriminare
la fase del segnale di ritorno, è sufficente aggiungere un sistema
di controllo automatico di frequenza (Automatic Frequency Control -
AFC) che (generalmente agendo sulla frequenza dello STALO usato come riferimento
nella catena ricevente) garantisca che trasmettitore e ricevitore siano sintonizzati
alla stessa frequenza.
Le cose cambiano quando il redar deve utilizzare l'informazione di fase
dell'eco, come nei sistemi MTI. In tali casi è possibile:
- Forzare il magnetron ad oscillare con una fase di innesco definita
- far si che il sistema conservi "memoria" della fase trasmessa in modo
da compensarla a livello del ricevitore.
Quest'ultimo approccio corrisponde alla tecnica "Coherent-on-receive" (coerent
in ricezione) che è stata quella di gran lunga più utilizzata.
Anche qui, come nelle applicazioni non coerenti, lo STALO, usato come oscillatore
locale in ricezione, è agganciato in frequenza alla frequenza trasmessa
per mezzo di un AFC.
L'impulso trasmesso è acoppiato nella catena ricevente e, a livello
di IF, è usato per agganciare la fase del COHO (che fornisce il riferimento
al phase detector) su quella dell'impulso trasmesso.
I tipi di COHO più impiegati a questo scopo erano:
- linea di ritardo: l'impulso di riferimento veniva fatto riciclare, per
tutto il tempo attaverso una linea di ritardo (in genere, un lungo cavo) con
ritardo pari alla lunghezza dell'impulso. Un amplificatore era impiegato per
recuperare le perdite nel ciclo.
- oscillatore inizializzato ("locked" o "primed"): in questo caso, il guadagno
di anello dell'oscillatore era ridotto sotto l'unità per interrompere
l'oscillazione subito prima della ricezione dell'impulso. Il guadagno era
poi ripristinato mentre l'impulso era applicato, in modo da avviare l'oscillazione
mantenendo la fase iniziale del riferimento.
Un ulteriore possibile modo (non so quanto usato in pratica) è quello
di campionare le componenti in fase e quadratura dell'impulso di riferimento
per rilevarne la fase, e compensarla quindi a mezzo di sfasatori ad IF o in
video (tramite moltiplicazione complessa sulle componenti in fase e quadratura).
E' importante notare che la tecnica di coherent-on-receive, memorizzando
solo la fase dell'ultimo impulso trasmesso) è in grado di recuperare
la coerenza solo nell'ambito di una PRI, e non è quindi in grado di
cancellare il clutter di seconda traccia (o altre tracce multiple)
Per superare questa limitazione, è necessario dunque forzare la
fase iniziale del magnetron (o dell'EIO - Extended Interaction Oscillator)
iniettando un segnale di riferimento (derivato dalla catena di upconversion
STALO + COHO, come se i usasse un tubo amplificatore) nella cavità
risonante durante l'avvio dell'oscillazione, agganciando così la fase
trasmessa (un po come fatto sul COHO nel "coherent-on-receive", ma qui è
molto più complesso, visti i livelli di potenza in gioco).
In questo modo si ottiene un sistema completamente coerente ("coherent-on-transmit").