Capitolo 1

Capitolo 1

Introduzione ai sistemi radar OTH di tipo

Sky-wave

I radar OTH nascono come sensori early-warning per la rivelazione di bersagli oltre l’orizzonte, grazie alla riflessione ionosferica delle onde elettromagnetiche appartenenti alla banda HF (High Frequency: da 3÷30 MHz). Nel corso degli anni, lo sviluppo tecnologico e l’affinamento delle tecniche di elaborazione del segnale, hanno permesso di ottenere sistemi radar sempre più sofisticati sia per quanto concerne le perdite massime subite dal sistema, che per la risoluzione e l’accuratezza raggiunte. Questo ha permesso di aggiungere ai sistemi già esistenti, altre funzionalità particolarmente utili, come la sorveglianza di aree estese, e la capacità di rivelazione di bersagli di caratterizzati da RCS (Radar Cross Section) molto piccola. Attualmente i sistemi radar OTH impiegati sono utilizzati non solo per scopi militari, ma anche per lo studio della propagazione ionosferica, per il controllo del traffico aereo e marittimo e per il monitoraggio dei cambiamenti climatici.

1.1

Caratteristiche generali

La riflessione ionosferica sfruttata dai radar OTH avviene nel range di frequenze che va dai 3 MHz ai 30 MHz (banda HF). Le problematiche principali relative all’implementazione di sistemi radar OTH sono rappresentate da :

le dimensioni degli array derivanti dal fatto che nella banda di lavoro la lunghezza d’onda è dell’ordine della decina di metri, il che comporta necessariamente, l’utilizzo di elementi radianti di grosse dimensioni;

il canale di propagazione ionosferico presenta un certo grado d’imprevedibilità a causa delle variazioni spazio temporali a cui è soggetto;

il forte segnale eco di clutter (sia di mare che di terra) dovuto essenzialmente all‘estensione della regione illuminata;

le interferenze esterne, non trascurabili all’interno della banda HF, la quale è storicamente affollata dalle comunicazioni militari ed amatoriali.

I bersagli d' interesse per un radar OTH non si limitano ad una singola classe di target, ma possono comprendono aerei, missili, navi. Inoltre, grazie alle lunghezze d'onda usate ed all’estensione dell’area sorvegliabile, un radar OTH può essere usato per raccogliere informazioni sul comportamento del mare (spettro e matrice di scattering per esempio), sulla firma spettrale di un determinato terreno, sulle meteore e sull'aurora per quanto concerne l'emisfero boreale. I primi esperimenti sui radar OTH cominciarono nei laboratori di ricerca navale degli Stati Uniti nei primi anni 50. Le principali criticità che furono subito identificate sono:

la necessità di realizzare un processing efficiente per filtrare il segnale utile fortemente corrotto dal clutter; l'eco prodotto dal terreno può essere anche 40 ÷ 80 ݀ܤ più intenso di quello di un aereo;

La banda del segnale trasmesso non può essere grande a piacere a causa della ionosfera (mezzo dispersivo), che ne limita il valore ad un massimo di 100 ܭܪݖ [1]. Una banda stretta consente meno esposizione alle interferenze esterne e permette di ottenere un impulso largo, il quale è necessario per ottenere l'energia necessaria alla rivelazione.

1.2

Principi di funzionamento

Il principio di funzionamento di un radar OTH di tipo sky-wave è basato sulle proprietà di riflessione di un’onda elettromagnetica di frequenza opportuna (banda HF) che attraversa la ionosfera; se un'antenna irradia una potenza ܲ_் con angolo di alzo e frequenza opportuna, l’onda elettromagnetica, grazie alla progressiva rifrazione che subiscono i vari raggi, sarà progressivamente deflessa, fino a consentire di raggiungere distanze oltre l'orizzonte ottico. Infatti le distanze in ground range raggiungibili con tale meccanismo, si spingono dai 600 ܽ݅ 4000 ܭ݉ e tale intervallo può essere coperto agendo sulla frequenza trasmessa e sull’angolo di alzo. In particolare, si possono raggiungere diversi ground range utilizzando lo stesso angolo di alzo e cambiando la frequenza in trasmissione (Fig. 1.2) oppure, tenendo fissa la frequenza in trasmissione e cambiando l' angolo in elevazione (Fig. 1.1).

Fig. 1.1 Rappresentazione dei fasci di trasmissione con una frequenza singola (f1) per 3 diversi angoli di

Fig. 1.2 Rappresentazione dei fasci di trasmissione con 3 frequenze (f1,f2,f3) fissato l’angolo di elevazione in relazione all’intervallo di copertura in distanza.

Una zona di superficie a distanza ܴ dall'antenna è così illuminata dal fascio e, i bersagli in essa presenti, reirradiano parte della potenza verso la ionosfera; seguendo lo stesso principio, tale potenza viene reirradiata verso l'antenna ricevente, dove è fatta la rivelazione e la stima della posizione e dei parametri cinematici.

Nelle figure la parte in rosso è denominata zona di skip e rappresenta la distanza entro cui il radar non è in grado di rivelare alcun bersaglio. Tale distanza cieca è una limitazione intrinseca al fenomeno di riflessione ionosferica, infatti, fissata una frequenza obliqua di trasmissione, non è possibile salire in maniera indiscriminata oltre un certo angolo di elevazione, poiché esiste un angolo limite oltre il quale si oltrepassa la ionosfera senza avere riflessione.

Se la durata dell’impulso trasmesso è ܶ_௜ = 4 ݉ݏ, si ottiene per la distanza di skip un valore di 600 ܭ݉.

La realizzazione di un radar di questo genere si discosta da quella di un radar tradizionale per diversi motivi, tra i quali:

• Il comportamento del canale di trasmissione, (la ionosfera è di difficile caratterizzazione);

• La complicata scansione del fascio per raggiungere l'area di copertura voluta;

• L'antenna, in banda HF ha delle dimensioni notevoli, deve avere guadagno adeguato e SLL (Side Lobe Level) più basso possibile;

• Il trasmettitore, il quale deve gestire in maniera intelligente le frequenze trasmissive;

• Il ricevitore, il quale deve effettuare la rivelazione in condizioni di rapporto segnale disturbo molto bassi;

• Il problema ambientale, aggravato dalle dimensioni del sito e dei singoli elementi radianti, nonché dalla elevata potenza richiesta. Questo fatto non è da trascurare, tanto che in Australia gli elementi radianti e riceventi, sono stati istallati nel deserto [2];

Mentre per un radar a microonde , la sensitività è di solito determinata dal rumore interno al ricevitore, nel caso dei radar in banda HF tale parametro è fissato dalle interferenze esterne (rumore atmosferico, cosmico, industriale), che sovrastano il rumore termico. Questa caratteristica, insieme all'elevato clutter che ritorna dalla cella illuminata, rende necessario l'uso della tecnica Doppler per estrarre il segnale utile, la cui ampiezza può essere parecchi ordini di grandezza inferiore rispetto alla combinazione di tutti i fattori esterni.

Attraverso la tecnica Doppler è possibile estrarre l’eco radar poiché il segnale utile risulta spettralmente diversificato dal rumore. Infatti il clutter si colloca vicino alla frequenza nulla, mentre l'eco del bersaglio (in movimento) che si vuole rivelare esibisce un certo shift doppler, legato alla sua velocità radiale ed alla frequenza di lavoro [3].

• Monostatica

• quasi monostatica

• bistatica

Nella configurazione monostatica, trasmettitore e ricevitore sono costituiti dallo stesso insieme di elementi radianti e, il percorso dei raggi elettromagnetici è lo stesso per il tragitto radar-bersaglio e per quello bersaglio-radar.

Una configurazione quasi monostatica prevede trasmettitore e ricevitore collocati in due siti differenti, ma i cammini del segnale trasmesso e ricevuto sono quasi uguali, nel senso che sperimentano verosimilmente lo stesso tipo di distorsioni introdotte dal canale ionosferico.

L'ultima configurazione, quella bistatica, riportata nella (Fig.1.3), prevede che i cammini dei segnali siano diversi e possano sperimentare condizioni di propagazione sensibilmente differenti.

1.3

Equazione del radar OTH

Sotto l’ipotesi di trascurare il clutter, l’equazione del radar OTH è rappresentata dall’equazione (1.2). ܵ ܰ = ܲ஺௏ܩ்ܩோܶߣଶߪܨ௉ (4ߨ)ଷ_ܮ ௉ܮௌ. ܰ଴ܴସ (1.2) Dove ܵ ܰ

ൗ è il rapporto segnale rumore in uscita;

ܲ஺௏ è la potenza media trasmessa che per un radar a impulsi è P୅୚ = P୘_୘୘౟

౎ con ்ܲ

potenza di picco, ܶ_௜ lunghezza dell’impulso, ܶ_ோ tempo di ripetizione degli impulsi;

ܩ் è il guadagno dell’antenna in trasmissione;

ܩோ è il guadagno dell’ antenna in ricezione; T è il tempo d'integrazione coerente;

ߣ è la lunghezza d'onda;

ߪ è la RCS (Radar Cross Section) del bersaglio; ܨ௉ è un fattore di propagazione legato al percorso;

ܮ௉ , ܮௌ sono dovute alla propagazione e alle perdite di sistema;

ܴ è la distanza tra radar e bersaglio;

Le differenze con i radar a microonde, discusse nel paragrafo (1.2), includono l'adattamento all'ambiente, la selezione della frequenza e della forma d'onda da trasmettere, la radar cross section, le perdite subite, gli effetti multipath, il rumore, le interferenze, il guadagno d'antenna, la risoluzione spaziale e il clutter [5].

Questi parametri sono spiegati brevemente come segue:

Antenna, ܩ_் e ܩ_ோ: Convenzione comune per i radar in banda HF è quella di includere gli effetti del terreno nella caratterizzazione delle prestazioni dell'antenna. Poiché il terreno non è un conduttore perfetto, la sua conduttività e la sua costante dielettrica incidono sulle performance del radiatore. Le proprietà elettriche del terreno sono fattori che contano maggiormente per le polarizzazioni verticali piuttosto che per quelle orizzontali, tuttavia le caratteristiche dello stesso e la sua rugosità influenzano entrambe le polarizzazioni.

Tempo d'integrazione, ܶ: Dal momento che bisogna usare tecniche in doppler per separare

il contributo del segnale da quello del clutter, ܶ è il tempo nel quale vengono acquisiti i campioni coerenti, che all'occorrenza può spingersi fino a 100 ݏ.

Lunghezza d'onda ߣ: La frequenza in trasmissione deve essere selezionata ad hoc per

consentire all'energia trasmessa di riflettersi attraverso la ionosfera e illuminare l'area desiderata sulla terra. Poiché i parametri della ionosfera sono tempo varianti, è necessario un sistema di controllo adattivo.

Radar cross section (RCS ߪ ): La RCS di bersagli convenzionali è, in generale, una

funzione della frequenza, della polarizzazione e del'angolo con cui viene illuminato l'oggetto; in banda HF però, le dimensioni del bersaglio sono paragonabili con la lunghezza d'onda, quindi il processo di scattering avviene in maniera diversa rispetto alle frequenze più elevate.

Fattore di propagazione, ܨ_௉: Numerosi fenomeni come quello di Faraday che provoca una

rotazione della polarizzazione, il multipath, la propagazione multi salto e le distorsioni ionosferiche, devono essere inclusi nell'equazione.

Rumore, ܰ_଴: Per i radar in banda HF, il rumore termico è sempre minore rispetto il rumore

esterno.

Perdite, ܮ_௉ , ܮ_ௌ: Il termine ܮ_௉ contiene le perdite di andata e ritorno lungo il percorso attraversato, includendo le perdite per assorbimento ionosferico; il termine ܮ_ௌ rappresenta qualunque perdita che si può avere in un sistema radar (perdite di sistema).

Distanza, ܴ: il termine ܴ rappresenta la distanza in slant range, ossia la lunghezza del

percorso sky wave tra il bersaglio e il radar ; la rispettiva distanza a terra (ground range), può essere calcolata tramite considerazioni geometriche, conoscendo l'altezza a cui avviene la riflessione ionosferica.

Con queste interpretazioni, l'equazione (1.2) può essere usata per valutare le prestazioni di un radar sky wave, quando il clutter non è influente ai fini della rivelazione del bersaglio. Questo accade quando quest'ultimo, ha una velocità radiale tale da far cadere il suo spettro ben al di là di quello del clutter.

In un radar OTH molti parametri dipendono dalla frequenza. Per enfatizzare la dipendenza di questi parametri dalla frequenza, si può pensare ad una riformulazione dell'equazione del radar, in termini di rapporto segnale rumore normalizzato [6].

ܴܵܰே(݂) = ܴܵܰ ∙ ܮௌ௒ௌ ்ܲܶ௜ܴܲܨܶ௢௦௦ܩ௧ெܩ௥ெ = 4ߨ ܿଶ ݃௧(݂)݃௥(݂)ߪ(݂)݂ଶ ܮ௉ଶ(݂)ܰ଴₂(݂) (1.3) Dove

்ܲ è la potenza di picco;

ܶ௜ è la lunghezza dell'impulso;

ܴܲܨ è la frequenza di ripetizione degli impulsi; ܶ௢௦௦ è il tempo d'integrazione coerente;

ܮௌ௒ௌ sono le perdite di sistema; ேబ(௙)

ଶ è la potenza di rumore esterno;

ܮ௣(݂) sono le perdite di propagazione one-way;

ߪ(݂) è la RSC del bersaglio;

݃௧(݂), ݃௥(݂) sono i guadagni d'antenna normalizzati al loro valore massimo ;

(ܩ௧ெ, ܩ௥ெ) in trasmissione e ricezione rispettivamente. ݃௥(݂) =ீ_ீೝ(௙)

ೝಾ , ݃௧(݂) =

ீ_೟(௙) ீ೟ಾ.

Il rapporto segnale rumore normalizzato definito in eq. (1.3), permette una ottimizzazione globale del sistema per mezzo di una tecnica per la selezione della frequenza ottima, scelta massimizzando tale parametro [6].

Il criterio di selezione si basa sui due passi seguenti:

1. Un’ indagine esaustiva delle condizioni ionosferiche (ora, mese, SSN) che copra l'intero ciclo solare.

2. la massimizzazione del rapporto segnale rumore normalizzato per ogni condizione ionosferica.

1.4 Sommario Capitolo

In questo capitolo è stata fatta una panoramica generale sui radar OTH di tipo sky wave in banda HF. Tali sistemi risultano di difficile realizzazione, a causa delle problematiche descritte che impongono, in fase di progettazione, un’accurata scelta dei parametri di progettazione per il raggiungimento degli obbiettivi preposti.

Sono state messe in evidenza le differenze tra sistemi OTH che lavorano in banda HF e, i radar convenzionali che lavorano a frequenza più elevate. E’ stata quindi descritta una riformulazione dell'equazione del radar ottenuta attraverso un’operazione di normalizzazione rispetto ai parametri maggiormente variabili con la frequenza.

E’ stato definito un indice prestazionale, ܴܵܰ_ே, che esplica la dipendenza dei parametri del radar dalla frequenza, consentendo di applicare delle tecniche di selezione per la frequenza ottima da usare in trasmissione, che operano secondo la massimizzazione dell'indice stesso.

Per scenari in cui il bersaglio da rivelare è una nave, tuttavia l'equazione (1.2) non è applicabile, poiché lo spettro del clutter di mare e lo spettro del bersaglio ricadono sullo stesso intervallo di frequenze doppler, a causa della bassa velocità radiale posseduta dal mezzo.

Un altro scenario in cui non è applicabile, è quello che considera la presenza di spread doppler che sorge dalle instabilità del plasma ionosferico e dalle turbolenze. Come verrà spiegato nel dettaglio nei capitoli successivi, le turbolenze sono fenomeni che dipendono dallo stato dell’attività solare, dall’ora del giorno, dalla stagione e dalle latitudini prese in esame.