3.3.1.
Antenna
Il componente più importante nel progetto di un radar è molto probabilmente l’antenna, dato che le caratteristiche prestazionali del radar dipendono maggiormente dall’antenna piuttosto che da ogni altro singolo componente. Ci sono varie tecnologie applicabili nella costruzione di antenne. Tutti gli approcci qui illustrati sono adattabili ai radar polarimetrici, sebbene alcuni abbiano una maggiore diffusione rispetto ad altri. Queste tecnologie includono antenne in guida d’onda, antenne a microstriscia, antenne a riflettore ed antenne distribuite.
Le antenne (in guida d’onda) a fessura sono abbastanza efficienti in alta frequenza, se confrontate agli altri tipi di antenna e possono essere adatte per molti sistemi radar ad onda centimetrica. Le antenne che utilizzano le guide d’onda fessurate come elemento radiante sono tra le prime antenne usate nella radar polarimetria. La NASA costruì un’antenna del genere, ma non era possibile sintetizzare ogni tipo di polarimetria. Mentre le guide d’onda possono essere costruite per irradiare in polarizzazione orizzontale e verticale, l’apparato della NASA aveva le antenne configurate una sopra l’altra, posizionate sul portellone di carico dell’aereo. In questa configurazione le antenne v ed h costituiscono un interferometro; quindi la differenza di fase tra i segnali ricevuti diviene funzione della distanza; a causa di ciò si ha un peggioramento dell’accuratezza nella misura dello stato di polarizzazione delle onde reirradiate.
Capitolo 3 - Radar polarimetrici e convenzionali
Le antenne a microstriscia sono il tipo di antenna più comune per i radar polarimetrici attuali. Il CV-990 ed il DC-8 usano questo tipo di antenne, così come il NADC/ERIM P-3. In un’antenna a microstriscia un’array di trasmettitori viene inciso su un substrato come avviene per i circuiti integrati, e le patch sono opportunamente rifasate e pesate in modo da ottenere il desiderato fascio di irradiazione. Un significativo vantaggio consiste nel fatto che ogni patch radiante può essere guidato da due feeder, uno dei quali fa emettere all’antenna una radiazione polarizzata orizzontalmente, mentre l’altro una radiazione polarizzata verticalmente. Il centro di fase di ognuno di questo modi è quasi coincidente; quindi possono essere eliminate le indesiderati differenze di fase in distanza. La grande flessibilità di questa tecnologia consiste nella possibilità di dare praticamente qualsiasi forma al fascio irradiato principale semplicemente modificando le fasi e le ampiezze delle patch. Infine le antenne a microstriscia sono relativamente efficienti a basse frequenze (minori di ca. 10 GHz) se le antenne non sono troppo larghe.
Le antenne a riflettore sono state impiegate in certi radar a singolo canale; in questi casi il feeder trasmette un segnale polarizzato linearmente. Impieghi polarimetrici utilizzando questo tipo di antenne possono essere ottenuti se viene utilizzato un sistema con due differenti feeder. Comunque particolare cura deve essere data per fare in modo che i centri di fase dei due sistemi di antenna coincidano; in caso contrario si avrebbe a che fare con il problema del gradiente di fase in distanza.
La tecnologia più recente è quella conosciuta come tecnologia ad array distribuiti. Il nome deriva dal fatto che la superficie dell’antenna radiante è un dispositivo attivo, in cui ognuno dei subelementi radianti dell’antenna è pilotato da un modulo ricetrasmittente (TR) del tutto indipendente. Ogni modulo consiste in un piccolo amplificatore di potenza in trasmissione ed in un amplificatore a basso rumore in ricezione e può
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pilotare un patch irradiato del tutto simile a quello descritto per l’antenna a microstriscia. Si ha così il vantaggio di collocare i centri di fase v ed h, così come la capacità di combinare i singoli segnali arbitrariamente per formare differenti forme del fascio irradiato. Un altro vantaggio è che, se gli amplificatori di potenza sono collocati molto vicino all’elemento radiante, si ha un miglioramento dell’efficienza di irradiazione, dato che i segnali ad alta potenza devono percorrere un tratto piuttosto breve. Questa miglioramento di efficienza è molto importante alle più alte frequenze delle microonde. Questo tipo di approccio è stato utilizzato nel radar SIR-C.
3.3.2.
Altri componenti
Esistono varie tecnologie hardware nel progetto di radar polarimetrici che variano a seconda dei requisiti richiesti; ogni implementazione che permetta la coerenza tra due trasmissioni può essere impiegata. Comunque la maggioranza dei criteri che determinano la scelta del trasmettitore non è specifica della radar polarimetria.
Una misura polarimetrica avviene con successo solo se è mantenuta la coerenza di fase da impulso a impulso, nella totalità dell’apparato radar. Questa situazione è completamente differente da quella di un radar tradizionale a singolo canale. Nel caso convenzionale tale coerenza deve essere mantenuta solamente per il periodo di tempo che va da quando il segnale viene trasmesso a quando viene ricevuto. Comunque la polarimetria richiede la misura di fase di un’eco rispetto ad un’altra, quindi la coerenza di fase deve essere mantenuta su di un periodo corrispondente a diversi impulsi trasmessi. In teoria la coerenza deve essere mantenuta solo per un’eco extra, ma in pratica per ottenere una coerenza ottima per un breve tempo, la coerenza di fase deve essere mantenuta per un tempo molto maggiore.
Capitolo 3 - Radar polarimetrici e convenzionali
avviene una leggera defocalizzazione del segnale in presenza di elevato rumore di fase. Per l’analisi polarimetrica, comunque, il rumore di fase sarà indistinguibile dalla variazione della scena bersaglio, quindi può essere mal interpretato come un effetto geofisico del terreo sotto investigazione. Un appropriato progetto di un radar polarimetrico deve minimizzare le sorgenti di rumore di fase, così che un’eventuale incorrelazione osservata possa essere attribuita ad una variazione delle caratteristiche del bersaglio piuttosto che del sensore.
Tutto ciò implica che un radar polarimetrico debba essere progettato con dei requisiti di coerenza di fase molto più restrittivi rispetto a quelli di un radar convenzionale. Il primo requisito è, quindi, che sia utilizzato un oscillatore locale molto stabile per generare tutti i segnali di riferimento e di temporizzazione del sistema.
Il requisito successivo è che la fase del segnale trasmesso sia controllata con lo stesso livello di stabilità. Ciò è ottenuto abbastanza facilmente tramite amplificatori allo stato solido e ad onda viaggiante. I più comuni trasmettitori radar, quali il magnetron ed il klystron, sono caratterizzati da un eccessivo rumore di fase e non sono adatti ai radar polarimetrici. Il ricevitore deve essere progettato tramite gli stessi criteri di stabilità, operazione non difficile se si utilizza un oscillatore a basso rumore per generare tutte le frequenze intermedie presenti nella catena di ricezione.
Infine le tecniche di acquisizione e memorizzazione dei dati e di elaborazione devono mantenere lo stesso grado di coerenza da canale a canale. I primi sistemi utilizzavano tecniche di acquisizione ed elaborazione di tipo ottico. Tale metodo andava bene per i radar tradizionali a singolo canale, mentre, per i radar polarimetrici, in cui si ha a che fare con diversi canali a fase arbitraria ed ampiezza pesata che devono essere combinati, tale approccio è difficoltoso da implementare. Quindi la
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tecnologia utilizzata per i radar polarimetrici è di tipo digitale. Inoltre l’acquisizione digitale dei dati e la loro memorizzazione sono molto più adatti per un’analisi col computer delle caratteristiche di scattering osservate.
I sistemi digitali devono innanzitutto quantizzare i segnali ricevuti nel tempo ed in ampiezza. L’uso di oscillatori stabili per ottenere il clock dei convertitori analogico digitali (ADC) fornisce accurati campioni nel tempo del segnale digitalizzato. I dati ottenuti sono poi processati in tempo reale oppure memorizzati per una successiva elaborazione. In questi apparati le caratteristiche da considerare sono la velocità e la capacità di memorizzazione dei dati.
Il numero di dati associato ad una radar polarimetrico è molto alto e deve essere ridotto per consentirne l’uso.