SOMMARIO
Esaminando le peculiarità e le criticità dei sistemi radar OTH (Over The Horizon) che operano per riflessione ionosferica, si evince ben presto che queste si discostano profondamente dalle relative caratteristiche riscontrabili nei radar a microonde. L’utilizzo di sistemi radar di questo tipo permette di coprire distanze ben oltre l’orizzonte ottico grazie al loro principio di funzionamento che sfrutta la riflessione ionosferica. Operando infatti in banda HF (i.e. 3-30 MHz) si verifica una progressiva deflessione dell’onda elettromagnetica trasmessa che, in determinate condizioni, può essere nuovamente riflessa verso la superficie terrestre. Nonostante i grandi vantaggi derivanti dall’utilizzo di questo intervallo di frequenze, emerge tuttavia un nutrito insieme di fattori critici che devono essere attentamente valutati. Determinanti sono le perdite di segnale causate dalla forte attenuazione dovuta alla propagazione in spazio libero e all’assorbimento ionosferico. Tali perdite hanno in aggiunta una marcata dipendenza dall’attività solare, la quale presenta una variabilità in funzione dell’ora del giorno, della stagione e dell’anno. Non devono poi essere trascurate le forti restrizioni sulla disponibilità spettrale, che sono una diretta conseguenza dell’interferenza del rumore esterno e del rumore industriale. Un’altra problematica inerente l’impiego della banda HF è l’occupazione spettrale di questo intervallo frequenziale, storicamente affollato di comunicazioni amatoriali e militari. Questa ridotta disponibilità spettrale rappresenta un ulteriore vincolo che si unisce all’estrema adattabilità necessaria per gestire il canale di propagazione ionosferico, fortemente tempo variante. Per quanto detto appare necessario uno studio finalizzato a caratterizzare la fisica di base del fenomeno di propagazione ionosferico, nonché un’analisi statistica della variabilità spazio temporale del canale di comunicazione e del rumore esterno. Il suddetto studio costituirà la base per la definizione di una strategia di scelta della frequenza da trasmettere, che dal punto di vista operativo si dovrà tradurre nell’implementazione di un sottosistema automatico di gestione delle frequenze. La complessa gestione delle frequenze in trasmissione, unita alla necessità di irradiare dei fasci elettromagnetici il più possibile stretti, evidenzia un’ulteriore elemento di criticità nella progettazione nel sistema radiante. Alla luce delle caratteristiche richieste, l’analisi del sistema d’antenna è stata necessariamente focalizzata verso gli array bidimensionali di antenne di grandi dimensioni, di cui sono stati esaminati i principali benefici ed alcuni aspetti teorici di progettazione. In questa area di ricerca ci siamo proposti l’obiettivo di definire una tecnica di selezione delle frequenze trasmesse che restituisse il massimo ritorno energetico. Nel corso di questa indagine è stato introdotto il concetto di celle ISO-MUF (i.e.
Maximum Usable Frequency costante), cioè celle in distanza per le quali si può
assumere come ottima una singola frequenza in trasmissione. Successivamente ci siamo preoccupati di riformulare l’equazione classica dei radar, attraverso un’operazione di normalizzazione rispetto ai parametri maggiormente variabili con la frequenza. Questo ha portato alla definizione di un nuovo indice prestazionale per i radar OTH, denominato rapporto segnale-rumore normalizzato (SNRN). In
questa parte del lavoro è stato inoltre effettuato uno studio statistico dell’occorrenza dei valori congiunti frequenze trasmesse ed angoli di alzo dell’antenna in trasmissione, al variare delle condizioni ionosferiche. Tale caratterizzazione ha permesso di ricavare preziose informazioni su quelli che sono
3 i valori utili delle suddette quantità e che, in fase di progetto, dovranno essere soddisfatti al meglio dal complesso sistema trasmittente.
Altro aspetto di notevole novità rispetto ai classici radar operanti alle microonde, risulta essere il comportamento delle Radar Cross Section (RCS) dei bersagli, che nella gran parte dei casi hanno una dimensione che ricade nella zona di risonanza o in quella di Rayleigh. A questo proposito è stata condotta un’analisi teorica che ha permesso di identificare i margini di variabilità e che ha evidenziato, per via simulativa, alcune indicazioni numeriche sul comportamento delle RCS a queste frequenze.
Successivamente all’indagine relativa al sistema radiante, sono state studiate le caratteristiche del segnale che sarà usato in trasmissione. A questo scopo sono state proposte ipotesi e dimensionamenti sulle principali specifiche, tra cui la banda del segnale, la durata dell’impulso trasmesso, la frequenza di ripetizione dell’impulso. L’analisi di questi parametri permetterà di stabilire dei vincoli e di individuare le possibili scelte per il loro corretto dimensionamento nel contesto radar OTH.
Gli studi sopra esposti hanno rappresentato la base conoscitiva per la formulazione di un metodo di stima delle potenze di picco in sistemi radar di questo tipo. La metodologia di stima proposta in questo studio utilizza come indice prestazionale il
rapporto segnale-rumore normalizzato (SNRN) precedentemente introdotto. Tale
funzionale permette di effettuare una corretta valutazione della potenza richiesta al variare di tutte le condizioni al contorno (configurazione ionosferica, rumore esterno, guadagno d’antenna, ecc.). In questa parte dello studio ci siamo preposti di effettuare una serie di simulazioni che hanno restituito, nei limiti delle ipotesi semplificative introdotte, quelle che teoricamente saranno le richieste di potenza di picco del sistema radar al variare delle condizioni ionosferiche. Risultati numerici sono stati calcolati per un’ampia casistica di condizioni ionosferiche, messa a punto per coprire la variabilità undecennale del comportamento ionosferico.
ABSTRACT
Investigating the characteristics and the criticalities of OTH (Over The Horizon) radar systems we can easily recognize a lot of differences with ordinary microwave radars. Distances well beyond the horizon can be reached by exploiting the effect of ionosphere refraction, since in the HF band the e.m. waves are gradually bended through the ionosphere. This type of radar achieves the remarkable advantage of a very wide and time continuous coverage that ranges from 600 km up to 3000 km. Accordingly HF-OTH skywave radars provide surveillance over wide areas, as well as great remote sensing capabilities.
The remarkable advantage of using the ionospheric channel, introduces, as a consequence, some significant and critical design challenges that should be inquired into details. Firstly, we must deal with heavy propagation and absorption losses. Secondly, there are several restrictions in spectrum availability due to external noise and man made interference. Furthermore the former restrictions have a sun driven behaviour, accordingly variable by hour, season and year.
The propagation channel is therefore highly time-varying hence an adaptive transmitted frequency selection method able to provide the frequency map on the surveillance area is required. It comes out that a statistical study of the spatial-temporal variability of the propagation channel and of the external noise is hence essential. This study will represent the starting point for the definition of a transmitting frequency selection criterion.
The complex propagation channel management, combined with the necessity of forming very narrow electromagnetic beams in transmission and reception, point out another critical element that is the antenna system. Because of the mentioned requirements, the investigation is necessary directed at wide 2D antenna arrays. Some array theory notions has been presented to better focus the benefits of such antenna systems and some simply example arrays were simulated. In this research area, we have proposed a frequency selection method that aims to maximize the energy return. In order to accomplish this task, we have introduced the ISO-MUF cell concept, that means to identify radar range bins which could be assumed to have the same optimum Maximum Usable Frequency (MUF). Afterwards a reformulation of the classic radar equation was proposed in order to emphasize the frequency dependent parameters of the radar. This procedure leads to the definition of a new performance index for OTH radars, here called Normalized Signal-to-Noise Ratio (SNRN). In this part of the study we have also carried out a
statistical study of the transmitting frequency and take-off angles occurrences, that covers the 11-years periodicity of the ionospheric behaviour. This study has provided a very useful numerical evaluation of the frequencies and take off angles that the antenna system should be able to provide in an OTH radar scenario.
Another area of research was the study of the Radar Cross Section (RCS). It is worth pointing out that at HF radar cross section of ships and aircraft lies in the Rayleigh and Mie region reporting a wide range of values. It was therefore essential a simulative approach that has provided a predicted RCS variability as a function of the operating frequency and of the aspect angles that are unusual for ordinary radar systems.
5 Some investigations on the characteristics of the transmitting signal have been done. We focussed on the analysis of some of the signal parameters such as bandwidth, the pulse duration and the pulse repetition frequency (PRF). We have identified some possible choices for an OTH radar.
All the aforementioned studies have been jointly used for the definition of a peak power requirements estimation criteria for these kind of radar systems. The approach here proposed is based on the usage of the SNRN as performance index.
This functional allows a good peak power evaluation when varying all the boundary conditions (i.e. ionospheric configuration, external noise, antenna gains, and so on). A comprehensive set of simulations have been performed with the aim of identifying the theoretical peak power requirements of a simplified OTH radar scenario. The numerical results obtained can be considered a good advice for the design stage.
