I
SOMMARIO
SOMMARIO ___________________________________________________I
INDICE DELLE FIGURE ______________________________________ IV
INTRODUZIONE ______________________________________________ 1
CAPITOLO 1 - PRINCIPI DI BASE E CENNI STORICI ______________ 5
1.1 Cenni storici ___________________________________________ 6
1.1.2 Applicazione della tecnologia digitale ______________________________________ 8
1.2 Applicazioni di un radar HF-OTH ________________________ 10
1.2.1 Applicazioni di un radar HF in ambito civile ________________________________ 10 1.2.2 Applicazioni di un radar HF in ambito militare ______________________________ 11
1.3 Principi di funzionamento, vantaggi e svantaggi legati all’uso del radar HF _____________________________________________ 11 1.4 La ionosfera __________________________________________ 13
1.4.1 Struttura della Ionosfera ________________________________________________ 14 1.4.2 Il processo di ionizzazione ______________________________________________ 14 1.4.3 Gli strati della ionosfera ________________________________________________ 17 1.4.4 La riflessione ionosferica _______________________________________________ 20
1.5 Scelta della frequenza operativa __________________________ 23 1.6 Panoramica dei sistemi radar HF-OTH skywave esistenti _____ 26
1.6.1 Il sistema AN/FPS-118 (OTH-B) _________________________________________ 26 1.6.2 Il sistema JINDALEE OPERATIONAL RADAR NETWORK _________________ 28 1.6.3 Il sistema NOSTRADAMUS ____________________________________________ 30
1.7 Bibliografia capitolo 1 __________________________________ 31
CAPITOLO 2 - GENERAZIONE DEL SEGNALE __________________ 34
2.1 Introduzione __________________________________________ 35
2.1.1 Descrizione del sistema radar ____________________________________________ 35
2.2 Generazione del Bersaglio _______________________________ 39
II
2.3 Generazione del Rumore ________________________________ 42 2.4 Generazione del Jamming _______________________________ 47 2.5 Generazione del Clutter _________________________________ 51
2.5.1 Modello del Clutter di terra _____________________________________________ 52 2.5.2 Fenomeno di Bragg ___________________________________________________ 55 2.5.3 Modello del Clutter di mare _____________________________________________ 57 2.5.4 Matrici di covarianza del Clutter di terra e di mare ___________________________ 61
2.6 Problema del multi-path ________________________________ 64
2.6.1 Multi-path applicato al bersaglio _________________________________________ 67 2.6.2 Multi-path applicato al clutter ___________________________________________ 69
2.7 Segnale complessivo ricevuto_____________________________ 70 2.8 Bibliografia capitolo 2 __________________________________ 73
CAPITOLO 3 -ELABORAZIONE CON TECNICHE STAP ___________ 75
3.1 Introduzione __________________________________________ 76 3.2 Breve descrizione del DPCA _____________________________ 77 3.3 Fully Adaptive STAP ___________________________________ 80
3.3.1 Architettura generale del processore_______________________________________ 81
3.4 Space-time processor ___________________________________ 82
3.4.1 Training strategy______________________________________________________ 84 3.4.2 Weight computation ___________________________________________________ 84 3.4.3 Weight application ____________________________________________________ 85
3.5 Metodo ottimo per il calcolo del vettore dei pesi _____________ 86 3.6 Indicatori di prestazione ________________________________ 89 3.7 Bibliografia capitolo 3 __________________________________ 95
CAPITOLO 4 - PROBLEMATICHE RELATIVE ALLA ELABORAZIONE DEL SEGNALE IN BANDA HF _________________________________ 96
4.1 Introduzione __________________________________________ 97 4.2 Applicazione della tecnica STAP in caso di multi-path _______ 98
4.2.1 Aliasing e migrazione del bersaglio in celle adiacenti ________________________ 100 4.2.2 Attraversamento del Bersaglio nella zona di clutter __________________________ 103
4.3 I disturbi ____________________________________________ 106
4.3.1 Modelli di rumore in banda HF _________________________________________ 109
4.4 Equalizzazione del canale ______________________________ 114
III
4.5 Analisi del SINR e delle perdite al variare del numero di
realizzazioni _________________________________________ 114 4.6 Stima del numero di realizzazioni necessarie_______________ 123 4.7 Complessità computazionale dell’algoritmo _______________ 125 4.8 Bibliografia capitolo 4 _________________________________ 126
CAPITOLO 5 - CONCLUSIONI ________________________________ 127
Appendice __________________________________________________ 129
A.1 Propagazione Grey-Line _______________________________ 129 A.2 Calcolo del Rapporto segnale-rumore più interferente ______ 130 A.3 Calcolo del SINR su un singolo elemento e un singolo impulso 132 Bibliografia _________________________________________________ 134
Ringraziamenti ______________________________________________ 135
IV
INDICE DELLE FIGURE
Figura 1: Propagazione del segnale in banda HF ... 2
Figura 1.1: Percorso delle onde e.m. ... 7
Figura 1.2: Percorsi delle onde Radar HF ... 11
Figura 1.3: Variazione della densità di ioni diurna e notturna ... 15
Figura 1.4: Riflessione della ionosfera ... 16
Figura 1.5: La ionosfera ... 17
Figura 1.6: Effetti dello strato Es sulla trasmissione ... 18
Figura 1.7: Trasmissione ionosferica diurna e notturna ... 20
Figura 1.8: La riflessione e la rifrazione... 21
Figura 1.9: Riflessione dell’onda tramite rifrazioni successive ... 22
Figura 1.10: Diversi tipi di propagazione... 23
Figura 1.11: Path al variare della frequenza, con angolo di elevazione fissato... 24
Figura 1.12: Path al variare dell’angolo di elevazione, con frequenza fissata ... 24
Figura 1.13: Path al variare della frequenza e dell’angolo di elevazione, fissata la distanza ... 25
Figura 1.14: Distanze raggiungibili tramite propagazione con gli strati E ed F... 25
Figura 1.15: Aree di copertura del radar OTH-B ... 27
Figura 1.16: Antenna trasmittente del radar OTH-B... 28
Figura 1.17: Aree di copertura del radar JINDALEE... 29
Figura 1.18: Array di antenne del sistema JINDALEE ... 29
Figura 1.19: Antenne riceventi del sistema JINDALEE ... 29
Figura 1.20: Antenna del sistema NOSTRADAMUS... 30
Figura 1.21: Array di antenne del sistema NOSTRADAMUS ... 31
Figura 2.1: Configurazione monopoli ... 36
Figura 2.2: Effetto prodotto dai due monopoli ... 36
Figura 2.3: Schema a blocchi del ricevitore ... 37
Figura 2.4: CPI datacube ... 38
Figura 2.5: Tabella dei parametri del sistema... 39
Figura 2.6: Rappresentazione del target ... 42
Figura 2.7: Matrice di covarianza del rumore nei casi (a) M=N=8 e (b) M=N=16 .. 44
Figura 2.8: Rappresentazione del rumore esterno ... 46
Figura 2.9: Matrice di covarianza del rumore esterno nel caso in cui l’angolo di azimuth sia fissato (a) o l’angolo di elevazione sia fissato (b) per M=N=8 ... 46
Figura 2.10: Rappresentazione del jamming ... 49
Figura 2.11: Matrice di covarianza del jamming nei casi (a) M=N=8 e (b) M=N=16 51 Figura 2.12: Rappresentazione del clutter ... 55
Figura 2.13: Fenomeno del clutter di mare ... 55
V
Figura 2.14: Tabella lunghezze d’onda dell’oceano che producono Bragg-scattering 57
Figura 2.15: Spettro del clutter ... 58
Figura 2.16: Somma di due segnali modulati in frequenza ... 60
Figura 2.17: Rappresentazione del clutter di mare ... 61
Figura 2.18: Matrice di covarianza del clutter di terra nei casi (a) M=N=8 e (b) M=N=16... 63
Figura 2.19: Matrice di covarianza del clutter di mare nei casi (a) M=N=8 e (b) M=N=16... 63
Figura 2.20: Segnali multi-path ... 64
Figura 2.21: Differenti segnali di bersagli ricevuti dal sistema... 65
Figura 2.22: Segnali sinusoidali multi-path ricevuti dal sistema (a) e segnale somma (b) ... 66
Figura 2.23: Fenomeno del fading applicato al bersaglio nel dominio spazio-tempo. 67 Figura 2.24: Fenomeno del fading applicato al clutter nel dominio spazio-tempo ... 70
Figura 2.25: Rappresentazione del segnale complessivo ricevuto ... 71
Figura 2.26: Matrice di covarianza del segnale ricevuto nei casi (a) M=N=8 e (b) M=N=16... 72
Figura 3.1: Schema a blocchi generico per un DPCA processing... 78
Figura 3.2: Geometria di riferimento per un DPCA... 79
Figura 3.3: Schema a blocchi generico per uno space-time processor... 81
Figura 3.4: Schema a blocchi dello space-time adaptive processing ... 83
Figura 3.5: Schema a blocchi per il calcolo del vettore dei pesi ... 87
Figura 3.6: Filtraggio del segnale ricevuto col filtro dei pesi ottimo nel caso M=N=16... 89
Figura 3.7: Matrici di covarianza teoriche del rumore (a), del jamming (b), del clutter(c) e di tutto il segnale indesiderato (d) nel caso M=N=8 ... 91
Figura 4.1: Matrice di covarianza del segnale complessivamente ricevuto in caso di multi-path sia sul bersaglio che sul clutter (M=N=16) ... 98
Figura 4.2: Filtraggio del segnale ricevuto col filtro dei pesi ottimo in caso di multi- path sia sul bersaglio che sul clutter (M=N=16)... 99
Figura 4.3: Effetto di Aliasing sul bersaglio ... 101
Figura 4.4: Geometria di riferimento per un bersaglio in movimento... 103
Figura 4.5: Eco del bersaglio in 3 possibili posizioni ... 104
Figura 4.6: Segnale filtrato nel caso A (M=N=16 con 280 realizzazioni) ... 105
Figura 4.7: Segnale filtrato nel caso B (M=N=16 con 280 realizzazioni)... 105
Figura 4.8: Segnale filtrato nel caso C (M=N=16 con 280 realizzazioni)... 106
Figura 4.9: Potenza di Rumore {SSN=100, Month=Jan, Hour=10}... 109
Figura 4.10: M=N=8, 64 realizzazioni. SINR teorico e sperimentale (a), perdite del SINR teorico e sperimentale rispetto al SNR (b), Improvement factor teorico e sperimentale (c)... 116
Figura 4.11: M=N=8, 100 realizzazioni. SINR teorico e sperimentale (a), perdite del SINR teorico e sperimentale rispetto al SNR (b), Improvement factor teorico e sperimentale (c)... 117
Figura 4.12: M=N=8, 150 realizzazioni. SINR teorico e sperimentale (a), perdite del SINR teorico e sperimentale rispetto al SNR (b), Improvement factor teorico e sperimentale (c)... 118
VI
Figura 4.13: M=N=8, con 256 realizzazioni. SINR teorico e sperimentale (a), perdite del SINR teorico e sperimentale rispetto al SNR (b), Improvement factor teorico e sperimentale (c)... 119 Figura 4.14: M=N=8, con 300 realizzazioni. SINR teorico e sperimentale (a), perdite
del SINR teorico e sperimentale rispetto al SNR (b), Improvement factor teorico e sperimentale (c)... 120 Figura 4.15: Perdite SINR in funzione del numero di realizzazioni nel caso in cui
M=N=8... 121 Figura 4.16: Perdite SINR rispetto al SNR in funzione del numero di realizzazioni nel
caso in cui M=N=8... 122 Figura 4.17: Improvement factor in funzione del numero di realizzazioni nel caso in
cui M=N=8... 123
1
