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ⓘ Radar



Radar
                                     

ⓘ Radar

Il radar è un sistema che utilizza onde elettromagnetiche appartenenti allo spettro delle onde radio o microonde per il rilevamento e la determinazione della posizione ed eventualmente della velocità di oggetti sia fissi che mobili, come aerei, navi, veicoli, formazioni atmosferiche o il suolo.

                                     

1. Etimologia

Il termine "radar" fu coniato nel 1940 dalla marina militare degli Stati Uniti dAmerica. Lacronimo con il tempo è entrato a far parte non solo della lingua inglese ma anche delle lingue di molte altre nazioni, divenendo nome comune e perdendo la grafia maiuscola.

Nel Regno Unito inizialmente il radar fu chiamato "RDF", sigla dellinglese r ange and d irection f inding" traduzione letterale: "individuazione di distanza e direzione". "RDF" fu scelto dal segretario del Tizard Committee, Albert Percival Rowe, in quanto già diffuso come sigla dellinglese r adio d irection f inder" traduzione letterale: "individuatore radio di direzione", espressione utilizzata nella lingua inglese per indicare il dispositivo in grado di determinare la direzione e il verso di propagazione delle onde radio. Tale scelta era finalizzata a mantenere segreto il nuovo dispositivo che oggi conosciamo come "radar".

                                     

2. Storia

Numerosi inventori, scienziati e ingegneri contribuirono allo sviluppo del radar. Il primo ad usare le onde radio per segnalare "la presenza di oggetti metallici distanti" fu Christian Hülsmeyer, il quale nel 1904 dimostrò che era possibile rilevare la presenza di una nave nella nebbia, ma non ancora la sua distanza.

Nel 1922 Guglielmo Marconi avanzò lidea di un radiotelemetro per localizzare a distanza mezzi mobili e nel 1933 ne propose la realizzazione a un gruppo di militari italiani, tra i quali il col. Luigi Sacco; questultimo, convinto della validità e dellimportanza dellidea, la affidò alling. Ugo Tiberio, un giovane e brillante ufficiale, che negli anni seguenti portò avanti le ricerche e realizzò diversi prototipi, ma non ottenne le risorse e i fondi necessari per arrivare a un sistema radar operativo; i vertici della Marina non credettero fino in fondo al progetto di Tiberio ma dopo la disfatta di capo Matapan 28-29 marzo 1941, dovuta anche alluso del radar da parte degli inglesi, la ricerca sul radiotelemetro ebbe finalmente i fondi necessari per realizzare i primi radar italiani, denominati Gufo e Folaga.

Prima della seconda guerra mondiale, sviluppatori americani, tedeschi, francesi, olandesi, giapponesi, sovietici e principalmente britannici tentarono di sfruttare il radar come sistema di difesa contro gli attacchi aerei in sostituzione dei precedenti aerofoni, o come sistema di rilevamento per le navi. Nel 1936 lungherese Zoltán Bay fu il primo a produrre un modello funzionante nei laboratori della Tungsram.

La guerra portò ad unaccelerazione della ricerca, al fine di trovare la migliore risoluzione e portabilità per le nuove esigenze difensive. Nel dopoguerra luso del radar si è ampiamente diffuso anche in ambito civile per il controllo del traffico aereo civile, le rilevazioni meteorologiche e la misurazione delle velocità automobilistiche.

                                     

3.1. Descrizione Principi fisici

Il funzionamento del radar si basa sul fenomeno fisico della dispersione della radiazione elettromagnetica backscattering che si verifica quando questa colpisce un oggetto di dimensioni maggiori della lunghezza donda della radiazione incidente in caso contrario si ha diffusione dellonda in una qualsiasi direzione casuale oppure diffrazione. La radiazione di ritorno può essere rilevata dallantenna ricevente dopo un certo tempo t pari al doppio del tempo di propagazione antenna - bersaglio; conoscendo la velocità di propagazione dellonda elettromagnetica nel mezzo considerato aria è possibile risalire facilmente alla distanza del bersaglio ed alla sua posizione angolare azimuth rispetto al sistema di riferimento in maniera pressoché continua nel tempo operando una scansione periodica dello spazio circostante tramite antenne ad elevata direttività.

Un sistema radar si compone di un trasmettitore di onde radio, almeno unantenna quindi con funzione sia trasmittente che ricevente, una guida donda di alimentazione e collegamento con la parte di trasmissione/ricezione disaccoppiate tramite un duplexer ed infine di apparati elettronici di ricezione ed elaborazione del segnale elettromagnetico ricevuto. Il ricevitore solitamente, ma non necessariamente, è posto nella stessa posizione del trasmettitore venendo spesso a coincidere con esso. A questi componenti si aggiunge anche una base dei tempi, un dispositivo simile ad un orologio in grado di misurare intervalli di tempo molto piccoli in modo molto accurato e preciso. Infine il segnale eco rilevato è opportunamente visualizzato su un visore bidimensionale mostrando la misura della distanza e della velocità del bersaglio rispetto ad un sistema di riferimento solidale con il ricevitore stesso o con il radarista.



                                     

3.2. Descrizione Tipi di radar

In generale un radar può essere monostatico, ovvero con un sola antenna trasmittente/ricevente, oppure bistatico / multistatico, ovvero con due o più antenne, di cui una preposta alla trasmissione del segnale le altre preposte alla ricezione delleco scatterato e che possono essere sparse su un territorio, quindi anche molto distanti dalla prima. Si distinguono inoltre radar ad impulsi e radar ad onda continua. I radar progettati per il monitoraggio costante della velocità radiale di un target, oltre che della posizione, sfruttano leffetto Doppler e vengono perciò detti radar Doppler.

Nellaviazione di oggi è molto usato un particolare radar, il Radar secondario di sorveglianza, che si basa sul contributo di un dispositivo montato a bordo dellaeromobile detto transponder, il quale è un sistema radio che interrogato dallimpulso radio in arrivo, emette un brevissimo impulso di risposta contenente, in forma codificata, una sigla caratteristica dellaereo assegnata dal controllore del traffico aereo. Questa sigla viene poi visualizzata sullo schermo radar dei controllori di volo. Questa tecnologia deriva dai sistemi IFF Identification friend or foe progettati per usi militari. Oltre alla sigla di identificazione i transponder sono in grado di comunicare al radar secondario che nel caso civile quindi si comporta in pratica da sistema di comunicazione la quota barometrica e nei modelli più recenti persino la posizione GPS.

                                     

3.3. Descrizione Frequenze operative

Come in tutte le applicazioni di radiocomunicazioni o radiopropagazione La scelta delle frequenze radar utilizzate è operata sulla base dellattenuazione del mezzo atmosferico, che varia da frequenza a frequenza e presenta picchi elevati in corrispondenza di determinate bande dello spettro elettromagnetico; di conseguenza verranno scelte quelle frequenze che ricadono allinterno delle cosiddette finestre trasmissive, tipicamente allinterno della banda delle microonde e onde radio, praticamente libera da assorbimento, suddivisa poi tra le varie applicazioni radar.

I nomi delle bande delle frequenze operative hanno avuto origine in alcuni casi da nomi in codice in uso durante la Seconda guerra mondiale e sono ancora in uso sia negli ambienti civili sia in quelli militari in tutto il mondo. Sono stati adottati negli Stati Uniti dallIEEE, e in ambito internazionale dallITU. La maggior parte dei paesi ha dei regolamenti che stabiliscono quali segmenti di ciascuna banda sono utilizzabili e per quali usi.

Gli altri utenti dello spettro di frequenze radio, come la trasmissione le contromisure elettroniche ECM, hanno invece sostituito le designazioni provenienti dagli ambienti militari con propri sistemi.

                                     

3.4. Descrizione Funzionamento

A differenza di un sistema di telecomunicazioni il radar non deve trasmettere/emettere alcuna informazione se non limpulso o londa continua non modulata necessaria per il backscattering e la rilevazione. A determinati intervalli regolari di periodo T PRT il trasmettitore emette un impulso a radiofrequenza che viene trasmesso nello spazio da unantenna fortemente direzionale almeno nel piano parallelo al suolo, il cosiddetto piano degli azimuth. Quando le onde radio trasmesse colpiscono un oggetto vengono riflesse in tutte le direzioni: il segnale reirradiato allindietro verso la direzione di provenienza genera quindi uneco o replica fedele del segnale trasmesso a meno di unattenuazione dovuta alla propagazione elettromagnetica in mezzo attenuativo come latmosfera e di uno sfasamento temporale subendo anche un leggero cambio di frequenza se il bersaglio è in movimento radiale rispetto allantenna ricevente Effetto Doppler. Se il radar deve avere una copertura a 360 gradi in azimuth lantenna radar è montata su un giunto rotante che consente la scansione completa della porzione di atmosfera almeno entro i limiti dellampiezza del fascio di antenna.

Il segnale di ritorno, sebbene sia in genere molto debole, può essere amplificato con dispositivi elettronici e a mezzo di particolari geometrie delle antenne riceventi. In questo modo, il radar è in grado di identificare oggetti per i quali altri tipi di emissioni come il suono o la luce visibile non risulterebbero efficaci. Subito dopo lemissione dellimpulso elettromagnetico la stessa antenna trasmittente viene collegata tramite duplexer ad un ricevitore sensibilissimo che resta in ascolto delleventuale eco riflessa backscattering. Se è presente un bersaglio limpulso trasmesso riflesso ritorna quindi allantenna venendo elaborato dal ricevitore. Misurando il tempo che intercorre tra la trasmissione dellimpulso ed il ritorno delleco è possibile stabilire la distanza a cui si trova il bersaglio, dato che la velocità a cui si propaga limpulso elettromagnetico è nota essendo pari alla velocità della luce. In pratica si ha:

D = 299 792.458 ⋅ s 2 {\displaystyle D=

La portata reale/effettiva sarà poi influenzata da altri fenomeni Aleatori che influiscono sulla radiopropagazione del segnale in atmosfera, come le turbolenze e i disturbi esterni, oltre che dal rumore del ricevitore e in ultima analisi essa avrà quindi un significato prettamente statistico che si ripercuote sulla rilevazione ovvero nellelaborazione in termini di criteri di decisione statistici.

Altro parametro fondamentale è la massima portata radar non ambigua ovvero la massima portata per cui leco ricevuta può essere univocamente associato allimpulso inizialmente trasmesso e non al successivo, nel caso di radar ad impulsi.



                                     

3.5. Descrizione Attenuazione

Sono fonti di attenuazione o perdita di potenza del segnale di eco ricevuto, oltre allattenuazione del mezzo atmosferico dovuto alle risonanze di ossigeno e anidride carbonica, lattenuazione dovuta alle perdite ohmiche dellantenna e agli elementi della catena di ricezione quale i tratti di guida donda e il duplexer. Esse compaiono al denominatore dellequazione del radar e della formula della portata massima.

                                     

3.6. Descrizione Rumore

Tipicamente sono fonti di rumore del segnale o eco di ritorno di rilevazione del target ogni contributo di rumore termico degli elementi elettronici costituenti la catena ricevente: la guida donda, il duplexer, lamplificatore a basso rumore LNA caratterizzabili da una cifra di rumore cui si aggiunge il rumore dantenna per effetto del rumore termico atmosferico, cosmico diretto o indiretto di background e del terreno che essa può captare in funzione del suo puntamento.

                                     

3.7. Descrizione Disturbi

Oltre al rumore sono fonte di disturbo il cosiddetto clutter o disturbo dovuto alla presenza di oggetti fissi clutter fisso o anche mobili clutter mobile indesiderati durante la radiopropagazione del segnale.

Attenuazione, rumore e disturbi sono fonte di degradazione del rapporto segnale-rumore che si ripercuote inevitabilmente sulle procedure di rilevazione.

                                     

3.8. Descrizione Multipath

Come in ogni altra applicazione di radiocomunicazione anche il radar è soggetto agli effetti indesiderati del multipath fading ovvero allinterferenza costruttiva o distruttiva in ricezione di più onde viaggianti dovuta ai differenti percorsi che esse subiscono in propagazione nel percorso dal radar al target e ritorno. Questi effetti variano in funzione dellaltezza altimetrica dal terreno sottostante e dellangolo di elevazione del radar rispetto alla superficie terrestre e causano dunque fading attenuazione della potenza ricevuta che si ripercuote inevitabilmente sui parametri di posizione del target distanza e sulla portata massima del radar.

                                     

3.9. Descrizione Orizzonte radar

Lorizzonte radar ovvero il tragitto massimo della cosiddetta linea di vista tra radar e target è naturalmente limitato dalla curvatura terrestre sebbene siano possibili forme di radiopropagazione radar che sfruttano la propagazione per onda di terra, la propagazione ionosferica e la propagazione per effetto condotto.

                                     

3.10. Descrizione Rilevazione radar

A causa della già menzionata aleatorietà della radiopropagazione del segnale con presenza di fading, rumori esterni e interni al ricevitore, e quindi della possibilità di mancate rilevazioni falso negativo o falsi allarmi falso positivo, le procedure di elaborazione del segnale ricevuto per la rilevazione di un bersaglio appartengono in ultima analisi alla teoria della decisione statistica, come peraltro accade anche nelle telecomunicazioni con i sistemi di comunicazione numerici per la presenza stessa di rumore nel canale trasmissivo e nel ricevitore.

In particolare si definiscono al riguardo le grandezze di natura tipicamente probabilistica quali la probabilità di corretta rilevazione Pc tipicamente fissata a valori intorno a 0.9, probabilità di mancata rilevazione complemento ad uno di Pc e probabilità di falso allarme tipicamente fissata a valori intorno a 10 −6.

In particolare il segnale ricevuto dal radar dopo la trasmissione dovrà essere sottoposto ad unelaborazione, tramite un particolare criterio di decisione statistica ad esempio il criterio di Neymann-Pearson oppure il criterio di massimizzazione del rapporto segnale/rumore, tesa a massimizzare il rapporto segnale/disturbo e successivamente decidere sulla presenza o meno del bersaglio tramite il confronto con una soglia minima di potenza prefissata. Questelaborazione ottima viene realizzata con un apposito elaboratore tempo-discreto o filtro digitale oppure un filtro adattato analogico che per questo è detto ottimo.

Per aumentare il rapporto segnale rumore è possibile implementare la cosiddetta integrazione degli impulsi ovvero la somma sotto forma di inviluppo degli impulsi che colpiscono il target nel tempo di persistenza del fascio radar sul target stesso.

Per leliminazione, parziale o totale, del disturbo clutter è possibile utilizzare un elaboratore MTI Moving Target Indicator oppure MTD Moving Target Detector basati sulla cancellazione delleco del disturbo fisso/mobile tra due o più rilevazioni.

Per aumentare la risoluzione spaziale è possibile inoltre adottare tecniche di compressione dellimpulso.



                                     

4. Applicazioni

Dal punto di vista della destinazione duso si hanno radar per applicazioni terrestri quali il controllo del traffico aereo e navale in campo civile radar di sorveglianza o avvistamento e militare radar da inseguimento, Radar warning receiver, radar montati su aerei civili e militari come supporto al volo o per scopi di pattugliamento aereo, radar meteorologici per la rilevazione delle idrometeore e delle turbolenze in tempo reale su un territorio nowcasting tramite SODAR; radar satellitari o aviotrasportati per applicazioni di telerilevamento misurando molti parametri fisico-ambientali quali, ad esempio, il SAR o il Lidar, che differisce dal radar di cui imita il nome perché usa luce infrarossa, visibile o ultravioletta emessa da laser, anziché onde radio; infine il radar è utilizzato anche per usi di polizia con la misura della velocità di autoveicoli e motoveicoli e la misura di velocità nelle competizioni sportive. In base alla posizione del radar sulla superficie terrestre si parla di radar di terra, radar di mare o radar aereo.

                                     

5. Contromisure elettroniche e meccaniche

In campo militare è diventato ormai fondamentale eludere, accecare o comunque ingannare i radar nemici e impedire che il nemico faccia lo stesso: la cosiddetta guerra elettronica. Tra le prime tecniche impiegate storicamente, vi fu lemissione di "false eco" da parte del veicolo attaccante, cioè lemissione di impulsi radio della stessa frequenza e fase ma anticipati, in modo da far sembrare il veicolo più grande e vicino di quanto non fosse; unevoluzione di questa tecnica permetteva di far apparire falsi bersagli multipli sugli schermi radar, allineati lungo la radiale.

Linsieme di queste e delle successive più evolute tecniche prende il nome di radar jamming. I radar militari di oggi non sono più vulnerabili a tecniche "ingenue" come quella descritta, perché adottano sistemi di protezione detti in inglese Electronic Protection EP o con precedente terminologia ECCM - Electronic Counter Countermeasures - e EPM - Electronic Protective Measures. Tra questi la trasmissione con salti di frequenza in inglese frequency-hopping o le tecniche di marcatura dellimpulso, per riconoscere meglio gli echi corretti da quelli contraffatti.

Infine come contromisure tecniche meccaniche non elettroniche sono da menzionare, sempre in ambito militare, le tecnologie degli aerei militari invisibili tecnologia Stealth le quali cercano di minimizzare la quantità di radiazione riflessa verso il radar nemico attraverso luso di particolari materiali e/o vernici assorbenti non riflettenti o forme geometriche del velivolo altrettanto specifiche ovvero agendo sulla superficie equivalente delloggetto scatterante σ {\displaystyle \!\sigma }.

                                     

6. Effetto Frey

L"effetto Frey" scoperto da Allan Frey nel 1960 alla Cornell University consiste in un "rumore" dei radar che non si sente attraverso le orecchie ma direttamente dal cervello. La scoperta parte dalla segnalazione di un radarista che ad un convegno gli rivela di sentire un brusio dei radar direttamente nella testa ma non viene creduto da nessuno, Frey indaga e comincia a fare esperimenti prima con volontari con le orecchie tappate e poi con persone sorde, scoprendo che le radiazioni elettromagnetiche interagiscono con le cellule neurali generando piccoli campi elettrici. Questo effetto fu poi adoperato in campo militare per prototipi di armi non convenzionali in progetti come Mk-Ultra.

                                     

7. Precauzioni sanitarie

Gli impianti radar sono soggetti a normative di carattere sanitario volte a prevenire sia malattie professionali agli operatori sia di carattere protezionistico dalle onde elettromagnetiche sulla popolazione in generale.

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