Introduzione ai radar, D'Amico

Radar

Introduzione

Il radar (dall’inglese Radio Detection and Ranging) è un sistema elettromagnetico per scoprire e localizzare oggetti anche in condizioni meteorologiche avverse. In un primo momento il radar fu sviluppato per applicazioni in campo bellico, per rilevare la presenza di velivoli nemici; oggi si utilizza sugli aerei e in prossimità degli aeroporti per controllare il traffico, l’altezza di volo e la presenza di perturbazioni; sulle navi per navigare in condizioni di scarsa visibilità; in ambito spaziale per facilitare l’aggancio fra veicoli spaziali, la definizione di carte della superficie terrestre e di Venere e la localizzazione precisa di oggetti sulla terra (GPS); in campo meteorologico per consentire lo studio del vento ad alta quota e la determinazione su ampio raggio delle zone di precipitazione.

Nel suo funzionamento più usuale genera impulsi di onde elettromagnetiche che irradia tramite un’antenna direzionale; una parte del segnale trasmesso viene intercettata dall’obiettivo (un oggetto riflettente) che la reirradia in ogni direzione, per un fenomeno detto scattering o diffusione. Una porzione di energia diffusa viene captata dall’antenna ricevente, consentendo così di rilevare le informazioni necessarie. La distanza tra radar e oggetto è determinata in base al tempo trascorso tra l’invio dell’impulso e l’arrivo dell’eco di ritorno; la posizione del corpo riflettente si ricava dalle coordinate polari di posizionamento dell’antenna; la velocità di spostamento dell’obiettivo è data dalla variazione in frequenza dell’eco.

Radar meteorologico ad impulsi

Il radar meteorologico permette l’identificazione e la localizzazione di alcuni fenomeni atmosferici, nelle loro tre coordinate. La descrizione che segue è relativa al radar ad impulsi, di gran lunga il più utilizzato in ambito scientifico.

Funzionamento del radar a impulsi

La misura di distanza, nei radar ad impulsi, viene effettuata tramite il rilevamento del tempo necessario all’energia elettromagnetica per compiere il percorso di andata e ritorno; a tale scopo è necessario individuare univocamente l’istante di partenza del segnale trasmesso. Il segnale in trasmissione viene realizzato usualmente utilizzando un treno d’impulsi rettangolari larghi che modulano in ampiezza un’onda sinusoidale portante (figura 2.1):

FIGURA 2.1 : Segnale trasmesso dal radar con periodo T.

Una tale forma d’onda presenta il vantaggio di separare la trasmissione dalla ricezione, infatti dopo l’emissione di un impulso, viene attivato il ricevitore. Questo continua ad essere collegato fino a che è passato un tempo sufficiente a ricevere gli echi alla distanza massima prevista; solo in seguito il trasmettitore viene abilitato ad emettere un altro impulso iterando così il ciclo di trasmissione e ricezione.

Poiché l’energia elettromagnetica viaggia nell’atmosfera alla velocità della luce, la distanza R fra l’antenna ed il bersaglio è data da:

∆t = 2R/c (2.1)

dove ∆t è l’intervallo di tempo che intercorre fra l’istante in cui si trasmette e quello in cui si riceve; c è la velocità della luce pari a circa 3 × 10⁸ m/s. Il fattore 2 compare a causa del doppio tragitto (andata e ritorno) percorso dall’impulso. La misura effettiva della distanza può essere ottenuta pertanto dalla rilevazione del ritardo tra segnale trasmesso ed eco ricevuto, secondo la schematizzazione di figura 2.2

FIGURA 2.2 : Segnale in ricezione.

Onde evitare ambiguità nella lettura della distanza, occorre che l’eco sia ricevuto prima che venga trasmesso l’impulso successivo. Infatti un eco che torni dopo che è trascorso l’intervallo di silenzio T può essere erroneamente associato all’ultimo impulso trasmesso e quindi viene chiamato eco di seconda traccia.

In altre parole, individuata la massima distanza oltre la quale non è più tecnicamente possibile aspettarsi un ritorno dell’onda (detta anche portata), la frequenza di ripetizione degli impulsi trasmessi è determinata dalla:

f = PRF = 1/T = c/2R_max (2.2)

dove PRF sta per pulse repetition frequency mentre T è il periodo.

La durata dell’impulso trasmesso determina la risoluzione radiale del radar:

∆R = cτ/2 (2.3)

In altre parole due eco provenienti da zone distanti meno di τ, non saranno distinguibili in ricezione. Riducendo la durata τ migliora la risoluzione in distanza, ma diminuisce l’energia dell’impulso:

E = P_tτ

dove P_t è la potenza trasmessa; questo provoca una riduzione della portata del radar. Un’apparecchiatura radar a impulsi è essenzialmente composta da quattro elementi: stadio trasmittente, stadio ricevente, antenna e display (figura 2.3).

FIGURA 2.3: Schema a blocchi del radar a impulsi.

Il suo più grande vantaggio consiste nella possibilità di utilizzare una sola antenna sia per la trasmissione che per la ricezione del segnale, garantendo economie in termini di spazio, peso e costi. Il cuore dello stadio trasmittente è un tubo a microonde che genera potenza a radiofrequenza. I tubi a più largo impiego, di seguito descritti, sono il klystron, il magnetron e i tubi ad onda viaggiante.

Klystron

Il klystron (figura 2.4) è un tubo elettronico stabile e potente che lavora da amplificatore con frequenza stabilita da un oscillatore, perciò detto in configurazione MOPA (Master Oscillator Power Amplifier). Esso opera una modulazione di velocità del fascio elettronico: tale fascio, emesso dal catodo, viene accelerato dalla differenza di potenziale (1.000V circa) esistente rispetto alla griglia acceleratrice e attraversa due cavità risonanti poste una dietro l'altra [1]. Alla prima cavità fa capo un cavo coassiale terminante con una spira, attraverso la quale viene immessa la tensione da amplificare. Nell'interno della cavità si generano delle oscillazioni forzate, in conseguenza delle quali gli elettroni vengono alternativamente accelerati o rallentati, ottenendo una modulazione di velocità che li fa uscire a pacchetti distinti.

FIGURA 2.4 : Diagramma di un klystron a tre cavità.

Questo flusso modulato di elettroni, penetrando nella seconda cavità, vi induce oscillazioni e cede potenza alla spira del cavo coassiale di uscita: tale potenza si ottiene a spese dell'energia cinetica degli elettroni ed è molto superiore a quella richiesta nella prima cavità per produrre la modulazione. L'effetto che ne consegue è quello di un'amplificazione del segnale.

Magnetron

Il magnetron (figura 2.5) invece è un tubo a vuoto potente ad alta efficienza nel quale il flusso elettronico è comandato contemporaneamente da un campo elettrico e da uno magnetico. È formato da un catodo che emette gli elettroni, circondato completamente da un anodo portato a un potenziale positivo. L'azione di un campo magnetico creato da un potente elettromagnete posto all'esterno del tubo a vuoto, combinata con l'azione del campo elettrico dell'anodo, costringe gli elettroni emessi dal catodo a percorrere una traiettoria a spirale: infatti il solo campo elettrico condurrebbe a una traiettoria rettilinea, mentre il solo campo magnetico darebbe luogo a una traiettoria circolare. Nell'anodo sono praticate delle cavità risonanti che originano oscillazioni elettroniche. La potenza è prelevata connettendo direttamente la guida d’onda dell’antenna o estraendola con una spira d’accoppiamento (coupling loop).

FIGURA 2.5 : Sezione di un magnetron con illustrati i componenti.

Tubi ad onda viaggiante

Infine i tubi ad onda viaggiante (TWT=Traveling Wave Tube), caratterizzati da una maggior larghezza di banda trasmessa e da un’efficienza più bassa [2], sono usati in configurazione MOPA come il klystron. In comune hanno anche il principio di funzionamento, ma si differenziano nell’interazione del flusso d’elettroni che non avviene nelle cavità risonanti, bensì lungo tutta l’estensione del tubo, come si vede in figura 2.6.

FIGURA 2.6 : Rappresentazione di un TWT.

Sincronizzatore

Il funzionamento del radar è controllato dal sincronizzatore che genera un segnale di sincronismo con frequenza PRF inviandolo conseguentemente al modulatore. Quest’ultimo accumula energia che invia al tubo trasmettitore non appena viene raggiunto dall’impulso di sincronismo. Da qui il segnale, modulato a radio frequenza, viaggia in una linea di trasmissione a microonde (guida d’onda) e perviene all’antenna attraverso il duplexer. Quest’ultimo componente viene impiegato per connettere alternativamente il trasmettitore e il ricevitore all’antenna, isolando il ricevitore nella fase di trasmissione ed evitando il danneggiamento dei sensibili circuiti di ricezione (figura 2.7).

FIGURA 2.7: Schema del duplexer con switch trasmissivo (TR) e antitrasmissivo (ATR).

L’antenna deve essere direttiva, di grande area (in genere ha diametro prossimo ai 100λ, dove λ è la lunghezza d’onda), per raccogliere la maggior potenza possibile, orientabile, di forma solitamente parabolica con un illuminatore nel fuoco. Il moto generalmente ritmico dell’antenna definisce la zona dello spazio esplorata dal fascio. Il tipo di moto d’antenna più semplice è rotatorio in senso azimutale attorno a un punto. Altri radar hanno un moto del fascio detto a ventaglio, risultante di un moto rotatorio attorno a un asse orizzontale (quindi nel piano verticale) con larga apertura, e di un moto rotatorio verticale (quindi nel piano orizzontale) con apertura assai limitata. Per altri radar si ha esplorazione conica quando l’antenna si muove in modo tale da guidare l’asse del fascio nella descrizione di un cono circolare. Si ha infine l’esplorazione a spirale o spiraliforme quando l’angolo fra l’asse del cono e l’asse del fascio, tipico dell’esplorazione conica, viene fatto variare con legge regolare da un valore basso fino ad un massimo prestabilito.

L’impulso inviato ritorna come eco all’antenna, e tramite il duplexer allo stadio ricevente. Qui il segnale a radiofrequenza è subito amplificato e convertito a frequenza intermedia mediante un mixer che evita la perdita di informazioni. Per compiere tale operazione è necessario un oscillatore locale a bassa potenza e molto stabile, interagente con un controllore automatico della frequenza (AFC). Quest’ultimo confronta ad ogni impulso la frequenza trasmessa con quella dell’oscillatore, correggendola se la loro differenza non è uguale al valore costante che si vuole ottenere in uscita dal mixer. In questo modo l’amplificatore seguente, che opera solo a una ben determinata frequenza, può lavorare correttamente. Successivamente il segnale arriva al rivelatore che, compiendo una demodulazione, ne estrae l’inviluppo. Dopo un’ultima amplificazione, il visualizzatore consente la rappresentazione grafica del segnale mediante una corretta interpretazione dell’impulso di sincronismo e del valore degli angoli che individuano la direzione dell’antenna.

Quello descritto finora è il funzionamento di un radar non coerente. È possibile invece usare un rivelatore coerente che, oltre a estrarre l’informazione di ampiezza, è in grado di valutare anche la fase del segnale, pur di utilizzare un sincronismo che generi frequenza e fase di riferimento uguali in trasmissione e ricezione (figura 2.8). Si utilizzano in genere dei trasmettitori MOPA che non necessitano dell’AFC. La frequenza di trasmissione è infatti ricavata come differenza di sincronismo tra un oscillatore locale al quarzo chiamato STALO (stable local oscillator) e un secondo oscillatore anch’esso molto stabile detto COHO (coherent oscillator).