Capitolo 1 - Sistemi radar passivi

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Capitolo 1 - Sistemi radar passivi

I sistemi radar passivi, noti anche come PCL (Passive Coherent locator) comprendono una classe di sistemi radar adibiti alla rivelazione (detection) e al tracking dei bersagli (target) attraverso l’elaborazione di echi da sorgenti non-cooperative (illuminatori d’opportunità) presenti nell’ambiente, quali trasmissioni commerciali e servizi per le comunicazioni. Si tratta di un caso specifico di radar bistatico, che invece sfrutta sorgenti sia cooperative sia non-cooperative.

1.1 Radar bistatico

Il primo sistema radar nella storia era di tipo bistatico (30 aprile 1904), con ricevitore e trasmettitore posti in luoghi separati. Con l’avvento del duplexer (1936), che garantì semplicità operazionale, diminuzione dei costi e di spazio, si passò velocemente a sistemi che utilizzavano la medesima antenna sia in ricezione sia in trasmissione, cioè sistemi di tipo monostatico.

Tuttavia, il radar bistatico possiede numerose caratteristiche che lo rendono tuttora vantaggioso e fanno sì che desti ancora grande interesse, tanto che da qualche tempo questa tipologia di sistemi radar inizia a riemergere. I principali vantaggi di un radar di tipo bistatico consistono principalmente nel fatto che il ricevitore sia di tipo passivo e quindi in sostanza immune alle contro misure elettroniche (ECM); inoltre risulta essere una buona soluzione contro le tecnologie “stealth” utilizzate dai possibili bersagli: infatti queste ultime sono state fino ad oggi studiate e progettate principalmente per evitare la rivelazione dei radar di tipo monostatico.

E’ inoltre possibile implementare ricevitori multipli (radar multistatici), con ognuno dei quali sarà formato un sistema radar bistatico. Ciò può essere sfruttato per ottimizzare la copertura, fornirci una sorgente di informazioni più ricca utile ad una più accurata localizzazione, avere a disposizione un’alta risoluzione nell’imaging utile alla ricostruzione del bersaglio.

Il prezzo da pagare per questi vantaggi è un incremento della complessità del sistema e del processing. In particolare risulta ardua la sincronizzazione e il puntamento del fascio, questioni che probabilmente saranno d’ostacolo nell’implementazione del sistema.

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Tuttavia, recentemente abbiamo assistito a numerosi progressi della tecnologia che ci aiutano ad alleggerire la complessa implementazione di questo sistema radar. Tra questi risaltano le DSP (Digital Signal Processor) di nuova generazione ad alta velocità, le phased array antennas, e l’uso del sistema di navigazione GPS utile al sincronismo del sistema[1].

1.2 Radar passivi o PCL (Passive Coherent Location)

Recentemente si assiste a un aumento d’interesse verso i sistemi radar bistatici che utilizzano illuminatori di opportunità (anche noti come “radar passivi” o “Passive Coherent Location, PCL”). Questo nuovo sistema ha il vantaggio di ridurre drasticamente i costi di realizzazione dell’impianto.

Il rapido aumento degli emettitori a RF per TV e radio in broadcast in aggiunta alle comunicazioni terrestri e spaziali ha generato un ampio range di segnali utilizzabili come illuminatori d’opportunità da sfruttare nei radar passivi. Inoltre, numerose di queste trasmissioni sono effettuate alle frequenze VHF e UHF, che permettono l’utilizzo di zone dello spettro non utilizzabili normalmente per usi in radaristica, e garantiscono al contempo una minore efficacia delle tecnologie stealth dei bersagli. Tuttavia, la localizzazione dei trasmettitori e la forma di trasmissione da sfruttare non sono più sotto il controllo del progettista del radar.

La molteplicità delle trasmissioni sia terrestri sia spaziali fornisce diversità spaziale e frequenziale e può essere sfruttata per migliorare ulteriormente le prestazioni in fase di detection.

Le applicazioni tipiche di questa tecnica radar includono la sorveglianza aero-spaziale, marittima, studi atmosferici, studi della ionosfera, studi oceanografici e il monitoraggio sull’inquinamento radioattivo .

Ci sono inoltre sviluppi relativi ad algoritmi utili al tracking dei bersagli e alla classificazione degli stessi.

Questa vasta gamma ed anche la grande diversità tra i vari sistemi e applicazioni possibili sono indicativi della crescente importanza di questo sistema.

Ciononostante, esistono ancora relativamente poche pubblicazioni che descrivono gli aspetti dettagliati sulle prestazioni di questi sistemi e lo stesso vale per le proprietà

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delle forme d’onda, i fattori geometrici reali, mentre non esiste quasi nulla sull’impatto che queste caratteristiche possano avere sull’efficienza del sistema complessivo [1].

1.3 Geometria dei sistemi PCL

La geometria di un sistema radar PCL è identica a quella di un sistema radar bistatico. Jackson ne analizzò la geometria e la configurazione (Fig. 1.1) e la sua notazione oggi è ampiamente utilizzata [2].

Fig. 1.1 – Geometria bistatica

Dalla formula:

=

( ) (1)

si nota che il luogo geometrico dei punti che hanno la medesima distanza bistatica è un’ellisse che ha come fuochi rispettivamente trasmettitore e ricevitore.

Lo spostamento Doppler dipende dal movimento del target, del trasmettitore e del ricevitore, come si evince dalla Fig. 1.2:

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Fig. 1.2 – Doppler bistatico

e l’equazione nel caso generale è abbastanza complicata. Nel caso in cui solo il target sia in movimento, lo scostamento Doppler è dato da:

=

cos cos

₂

Dalla (2) si vede che, se il bersaglio si sta muovendo lungo la linea trasmettitore-ricevitore, si avrà β = 0 e quindi fd = 0. Ciò può essere compreso perché a questo punto il range trasmettitore-bersaglio sta cambiando in modo uguale e contrario al range bersaglio-ricevitore.

1.4 Equazione bistatica del radar

Il punto di partenza per l’analisi sulle prestazioni di un sistema radar passivo si concentra sullo studio e sulla conoscenza dell’equazione bistatica del radar [1]:

=

∙

∙

∙

∙

∙

10 Pr è la potenza ricevuta

Pn è la potenza di rumore

Pt è la potenza trasmessa

Gt è il guadagno dell’antenna trasmittente

r1 è la distanza trasmettitore-target

r2 è la distanza target-ricevitore

σ

Gr è il guadagno dell’antenna ricevente

λ è la lunghezza d’onda del segnale in metri k è la costante di Boltzmann (1.38x10-23)

T0 è la temperatura di riferimento per valutare la cifra di rumore, 290 K

B è la banda equivalente del ricevitore

F è la cifra di rumore equivalente del ricevitore L sono le perdite del sistema

Quando il valore dell’espressione:

rimane costante viene definito il luogo geometrico dei punti dato dalle posizioni del target che altro non è che una figura geometrica nota come Ovale di Cassini di cui i punti al contorno forniscono dei livelli di potenza (o SNR) costanti al ricevitore.

L’uso dell’equazione (3) è utile a predire le prestazioni del sistema radar passivo, la difficoltà sta nel capire i corretti valori da assegnare ad ognuno dei valori presenti in essa.

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Esempi di valori associati a tipici illuminatori utilizzati in questi sistemi possono essere riassunti in Tab. 1

FREQUENZA MODULAZIONE BANDA POT. TX

RADIO FM 88-108 Mhz FM 75 Khz 1-12 KW TV ANALOGICA CAN.: A-H: 50-230 Mhz CAN.: 21-69: 470-870 Mhz VSB Video FM Audio 7 Mhz 8 Mhz 0,1-10 KW DVB-T 50-230 Mhz 470-870 Mhz QPSK, 16-QAM 8 Mhz 0,1-3 KW GSM 890-1880 Mhz GMSK 200 Khz 10-100 W UMTS 1882-2025 Mhz 2110-2200 Mhz QPSK 5 Mhz 20 W INMARSAT UP:1626,5-1660,5 Mhz DOWN:1525-1559 Mhz QPSK, 16-QAM 25-250 Khz 5 MW DVB-S UP: 14,25 Ghz DOWN: 11,75 Ghz QPSK, 8-PSK 16-APSK, 32-APSK 5 Mhz 100 KW DVB-SH 2170-2200 Mhz QPSK, 16-QAM 5 Mhz 2.5 MW Tab. 1

La potenza di trasmissione è un valore molto importante per la realizzabilità di sistemi radar passivi.

Poiché i ricevitori per le comunicazioni e quelli per la ricezione di segnali di tipo broadcast spesso utilizzano antenne poco efficienti, cifre di rumore non ottimali e distanze fra trasmettitore e ricevitore elevate, è necessaria una potenza di trasmissione significativamente alta. Questo aiuta a controbattere le inefficienze e le perdite del sistema totale.

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1.5 Radar Cross-Section bistatica (BRCS)

La rivelazione e la localizzazione dei bersagli attraverso l’uso di sistemi PCL sono funzione della RCS bistatica e della dinamica del bersaglio in aggiunta ai parametri di progettazione del sistema radar. I bersagli possono essere rivelati in range, in Doppler e in angolo tramite approcci convenzionali.

La RCS bistatica del bersaglio σb non sarà in generale uguale alla RCS monostatica, sebbene per i bersagli non stealth il range dei valori potrà essere paragonabile. Tuttavia, in letteratura è presente relativamente poco materiale relativo alla RCS bistatica. Inoltre esistono pochissime pubblicazioni riportanti misure del clutter di tipo bistatico [1].

Quando l’angolo β (Fig. 2) raggiunge un valore di 180° il bersaglio si trova in linea con trasmettitore e ricevitore. Sebbene tramite questa configurazione si perda l’informazione sulla distanza del bersaglio, si ottiene un aumento dell’intensità del fenomeno di diffusione (scattering) anche per i bersagli stealth.

Questo fenomeno si comprende facendo riferimento al Principio di Babinet il quale afferma che un bersaglio perfettamente assorbente genera lo stesso scattering diretto di quello prodotto da un’apertura su una lamina perfettamente conduttrice con la stessa forma del bersaglio (a parte uno sfasamento di 180°). In questo caso la BRCS si calcola come:

=

Dove:

A è l’area geometrica del bersaglio λ è la lunghezza d’onda

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=

Dove:

d è la dimensione lineare del bersaglio nel piano di riferimento

In Fig. 1.3 viene espressa in un grafico la dipendenza di σ e θ rispetto alla frequenza, per un bersaglio di area A = 10 m2 e d = 20 m. Si nota che θ aumenta con l’aumentare della frequenza. Quindi frequenze basse sembrerebbero essere preferibili per lo sfruttamento dello scattering diretto, in modo che la rivelazione del bersaglio possa essere ottenuta al di sopra di un adeguato range angolare (ampio).

Fig. 1.3 – Variazione della BRCS di un bersaglio di area fisica pari a 10 m2 e dimensione lineare pari a 20 m, rispetto alla frequenza

1.6 Illuminatori d’opportunità spaziali

Molteplici geometrie illuminatore-bersaglio-ricevitore sono state esaminate e studiate negli anni, alcune delle quali hanno preso la forma di sistemi utili alla detection di un bersaglio in determinate zone di copertura.

Alcuni sistemi hanno utilizzato illuminatori d’opportunità che potevano essere sia radar esistenti sia altri sistemi di trasmissione come quelli per le telecomunicazioni o trasmissioni broadcast. Buoni risultati sono stati individuati dai sistemi forward-scatter basati su trasmissioni televisive, con tracking dei bersagli tramite l’analisi della velocità doppler e dei tempi di ritardo.

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Altri studi ancora hanno invece sfruttato le trasmissioni televisive DVB come illuminatori d’opportunità dimostrando detection in short-range, sebbene limitati da densità di potenza bassa del segnale sulla superficie terrestre [3].

1.6.1 Radar passivi basati su illuminatori satellitari

Quello che andremo ad analizzare in questa tesi sarà un sistema radar passivo che sfrutti illuminatori d’opportunità di tipo satellitare con ricevitori posti sulla superficie terrestre.

Esistono molteplici tipologie di segnali satellitari che possono essere usati come sorgenti per un sistema bistatico, trasmissioni televisive (DVB), sistemi di telecomunicazione (INMARSAT, IRIDIUM,..), sistemi di navigazione (GPS, GLONASS), e radar space-based (SAR).

In Fig. 1.4 vengono riportati una serie di trasmettitori considerati nell’analisi in termini di EIRP e di distanza dalla terra con informazioni riguardanti la densità di potenza del segnale ricevuto sulla superficie terrestre (Prx) [4].

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La scelta dell’illuminatore ideale si basa su considerazioni inerenti diversi fattori, il primo dei quali è sicuramente la copertura.

I satelliti in orbita geostazionaria offrono una continua copertura di una fissata area geografica. L’orbita geostazionaria offre inoltre la possibilità di una geometria di forward scatter. Alcuni satelliti di tipo broadcast utilizzano trasmissioni a fasci (beam) abbinate opportunamente alla forma delle masse terrestri, non rendendoli particolarmente adatti per la rivelazione dei bersagli oltre oceano.

Tuttavia questo porta ad una massimizzazione della potenza sulla superficie terrestre.

I satelliti di tipo LEO (Low Earth Orbit) e MEO (Medium Earth Orbit) forniscono una copertura limitata nel tempo, dato che essi orbitano intorno alla Terra diverse volte al giorno e quindi illuminano una determinata area per brevi periodi.

Entrambi i tipi di satelliti LEO e MEO, a causa della loro alta velocità orbitale, non rappresentano una soluzione favorevole. Infatti, la capacità di tracciabilità dei satelliti risulta essere indispensabile per mantenere il puntamento dell’antenna di riferimento verso il trasmettitore durante il tempo di acquisizione. Inoltre, il movimento veloce dei satelliti porta ad una rapida variazione della frequenza Doppler, che complica ulteriormente la sequenza del processing. In fine, la costellazione dei satelliti LEO/MEO, necessita una continua operabilità del sistema, che porterebbe necessariamente a passare da un satellite ad un altro.

Questo è il caso, per esempio, della costellazione Iridum. In essa, a dispetto del basso livello di EIRP, si nota una bassa attenuazione del segnale a causa della minore distanza del satellite dalla terra, che porta ad adeguati valori di SNR. Tuttavia, essendo Iridium una costellazione di satelliti per le comunicazioni di tipo LEO, soffre anch’esso degli svantaggi menzionati sopra, e quindi verrà escluso dalla nostra scelta.

Il secondo fattore da esaminare è la potenza ricevuta al bersaglio. In quest’ambito, i radar space-based sono significativamente migliori rispetto ai sistemi broadcast di telecomunicazione o di navigazione. Proprio questa tipologia di radar genera una potenza sufficiente per garantire un adeguato rapporto segnale-rumore (SNR) in ricezione sulla

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superficie terrestre. I radar di tipo space-based, d’altro canto, generano una densità di potenza sufficientemente alta da produrre un’eco di ritorno facilmente rilevabile dal radar.

Il terzo fattore è la forma del segnale stesso, in particolare la sua frequenza e la sua modulazione. La frequenza è importante perché le proprietà di scattering del bersaglio sono funzione della frequenza stessa, e anche perché la frequenza incide sul guadagno e sulle proprietà di direttività dell’antenna utilizzata per il ricevitore del sistema bistatico.

La modulazione è importante nel rispetto della larghezza di banda (quindi per la risoluzione in range) e della funzione di ambiguità di cui si parlerà più avanti. Di conseguenza la forma d’onda con caratteristiche iterative porterebbe ad ambiguità in range e Doppler che possono risultare indesiderate. Modulazioni più casuali possibili saranno sicuramente avvantaggiate nella scelta dell’illuminatore migliore.

Vale la pena notare che anche i satelliti per il telerilevamento come TerraSAR-X, Radarsat-2, e Cosmo-SkyMed utilizzano alti valori EIRP e segnali con forma d’onda interessanti. Tuttavia, sono montati su piattaforme di tipo LEO che li rendono non utilizzabili per i nostri scopi di detection tramite sistemi di tipo bistatici.

Tra i rimanenti trasmettitori, un adeguata potenza di trasmissione viene garantita da satelliti come Sirius-Xm, Eutelsat W2A, e Inmarsat I-4 EMEA. Sirius-Xm è un satellite di tipo GEO per la trasmissione audio digitale in broadcast che trasmette solo nel Nord America dunque non è possibile la ricezione del segnale in Europa. Anche il Sirius-Xm verrà quindi escluso da successive analisi.

Eutelsat W2A, e Inmarsat I-4 EMEA, rappresentano una nuova generazione di satelliti per la comunicazione mobile. Questi trasmettono il loro segnale nel centro e nel sud dell’Europa, quindi rappresentano un’interessante soluzione per lo sviluppo di sistemi radar passivi ad ampia copertura [5].

Latitudine/Longitudine 0.01° N / 10.05° E Altezza 35840 Km EIRP 64 dBW Frequenza 2.17 GHz Larghezza di Banda 5 MHz Copertura Europa

17 Latitudine/Longitudine 0° N / 25.12° E Altezza 35800 Km EIRP 67 dBW Frequenza 1.5 GHz Larghezza di Banda 200 KHz

Copertura Europa – Africa – Asia centrale

Tab. 3 – Caratteristiche principali Inmarsat I-4 EMEA

In particolare, Eutelsat W2A è stato progettato per la trasmissione in broadcast del nuovo standard DVB-SH (Digital Video Broadcast-Satellite Handheld) per la TV su terminali mobili (smartphone, PDA) equipaggiati con antenne quasi-omnidirezionale.

Dall’altra parte, Inmarsat I-4 EMEA è stato progettato per incrementare le prestazioni del servizio BGAN (Broadband Global Area Network) che garantisce una rete dati e voce in tutte le zone della Terra. In Tab.2 e Tab.3 sono riportate le caratteristiche principali dei due illuminatori presi in considerazione [5].

1.7 Schema a blocchi di un PCL

In un sistema radar convenzionale, il tempo di trasmissione dell’impulsi e la forma d’onda del segnale trasmesso sono perfettamente noti. Ciò permette di sagomare in maniera ottimale il filtro di ricezione in modo da avere il miglior rapporto segnale rumore. In un radar passivo queste informazioni sono sconosciute ed è quindi necessario l’uso di un canale di ricezione apposta denominato canale di riferimento (reference channel). Questo serve per monitorare i trasmettitori da sfruttare e per campionare in maniera dinamica la forma del segnale trasmesso [6].

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Servendoci di questa figura andiamo ora a descrivere brevemente le caratteriste dei vari blocchi.

 Digital beamforming: la maggior parte dei sistemi radar passivi usano degli array di antenne con numerosi elementi. Ciò permette di calcolare la direzione di arrivo dell’eco sfruttando tecniche di beamforming come quelle monopulse o di tipo adattivo.

 Signal conditioning: questo blocco si occupa dell’elaborazione del segnale ricevuto dal detection channel per migliorarne la qualità o rimuovere le eventuali periodicità per migliorare le prestazioni del blocco che calcolerà la funzione di ambiguità.

 Adaptive filtering: uno dei principali limiti nella detection per un sistema radar passivo è causato dall’interferenza prodotta dalla potenza del segnale diretto (ricevuto dal trasmettitore) che spesso rischia di offuscare la potenza del segnale utile (eco); questo blocco si occupa di evitare il suddetto problema attraverso filtri adattativi.

 Cross-correlation processing: questo rappresenta il blocco più importante in un sistema radar passivo. Si occupa della cross-correlazione fra il segnale ricevuto e quello di riferimento. Attraverso l’implementazione di un banco di filtri adattati ognuno ad un‘ opportuna frequenza doppler, si ottiene in uscita la funzione di ambiguità di cui si parlerà ampiamente nei seguenti capitoli. L’operazione di correlazione porterà ad un guadagno che si rifletterà sull’equazione bistatica del radar. Tale guadagno è chiamato guadano di processing Gp e dipende dalla banda del ricevitore B , e dal tempo entro il

quale gli echi possono essere considerati coerenti con il segnale di riferimento Tintegrazione. B è la banda del segnale diretto, mentre una regola

applicata nella pratica ci dice che il tempo massimo di integrazione è:

1 2

( )

max r

T   A ,dove ARè l'accelerazione radiale del bersaglio.

 Quindi dopo l’operazione di correlazione ho che il SNR viene incrementato di un fattore Gp [7]:

=

=

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 CFAR Detection: esegue l’operazione di detection applicando una soglia adattativa come l’algoritmo CFAR (Cell-Averaging False Alarm Rate) in range e in doppler per diminuire la probabilità di falsi allarmi.

 Line tracker e Association & Track Estimation: questi blocchi si occupano del tracking del bersaglio. Spesso viene utilizzato il filtro di Kalmann [6].

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1.8 Vantaggi e problematiche di un sistema PCL

A conclusione del capitolo riassumiamo i principali vantaggi di un sistema PCL. Oltre ad un notevole abbattimento dei costi dovuto principalmente all’assenza del trasmettitore, i PCL possono eseguire operazioni di sorveglianza senza il rischio di essere rivelati. Sono robusti al jamming , permettono un ampia copertura con un ridotto impatto ambientale. Inoltre le loro dimensioni fisiche piccole (figure 1.10a, b, c) permettono di posizionarli in punti in cui normalmente non sarebbe possibile. Da notare, infine, come la crescente congestione spettrale se per altri sistemi possa risultare un problema, per i PCL significa poter attingere l’informazione da più fonti e quindi migliorare il sistema.

Figura 1.10b. COTS filter- amplifier unit

Figura 1.10c. CORA experimental radar antenna

and front-end Figura 1.10a.

PETRA I antenna system

Nonostante i numerosi vantaggi i sistemi PCL presentano una serie di svantaggi e fra i più evidenti abbiamo:

 complessità di implementazione del sistema

 lunghi tempi di integrazione per ottenere valori accettabili di SNR  impossibilità di progettare accuratamente la forma d’onda trasmessa

La ricerca sui sistemi radar passivi è in continua crescita, a testimonianza di questo ci sono varie pubblicazioni che mostrano come sia forte l’interesse per questo tipo di sistemi. In particolare sistemi radar passivi che sfruttino il segnale digitale terrestre e le tecniche di elaborazione del segnale di riferimento, che rappresentano l’argomento principale all’interno di questa tesi, al fine di migliorare la funzione di ambiguità.