RADAR

RADAR (App. II, 11, p. 636; III, 11, p. 537)

Si indicano qui i principali sviluppi avvenuti negli ultimi anni e che riguardano l'evoluzione degli apparati r. dal punto di vista di sistema. Questa evoluzione è stata naturalmente condizionata dalle nuove possibilità offerte dalla tecnologia elettronica, e in particolare dall'avvento congiunto delle tecniche numeriche e d'integrazione microcircuitale, che hanno reso possibili, e valide economicamente, soluzioni precedentemente non utilizzabili. Si è così passati a elaborazioni molto sofisticate dei segnali, per lo più a frequenze video e intermedie, ma talvolta anche estese al campo delle radiofrequenze grazie all'impiego dell'integrazione ibrida nei circuiti a microonde, e si è diffuso l'uso di indicatori sintetici, cioè di indicatori che presentano i dati r. elaborati (fig. 1) anziché il solo eco grezzo. Mentre si rimanda alla voce elettronica, in questa App., per questi sviluppi tecnologici comuni a tutta l'elettronica, si osserva che dal punto di vista sistemistico, oltre a una più corretta visione del r. come parte di un sistema operativo più ampio, le cui funzioni dettano legge, e oltre a una maggior attenzione ai problemi dell'affidabilità, della mantenibilità e della compatibilità elettromagnetica (resistenza alle mutue interferenze nell'apparato), lo sviluppo principale del r. si è avuto nella direzione di una sua ottimizzazione, intesa nel senso di una sua adattività alla situazione operativa, e in particolare ai disturbi esterni, intenzionali o naturali. Pertanto, all'esposizione delle nuove soluzioni precederà una descrizione delle generali caratteristiche dell'ambiente operativo.

Su un piano generale merita pure ricordare che nell'ultimo quindicennio le applicazioni r. si sono estese al campo spaziale (rivelazione e inseguimento di satelliti, r. di bordo per rendez-vous spaziali e per allunaggio) e la tecnica è stata trasferita anche al settore ottico, sostituendo il generatore a microonde con una sorgente laser (telemetri e r. ottici).

Descrizione dell'ambiente. - Le caratteristiche elettromagnetiche dell'ambiente in cui opera un r. sono determinanti per le prestazioni operative che si possono ottenere da un tale apparato.

Anzitutto le condizioni orografiche e meteorologiche alterano le caratteristiche di propagazione relative all'onda emessa dal r. e riflessa dal bersaglio, per cui le prestazioni calcolate per la situazione di spazio libero possono non corrispondere più al caso reale. Gli effetti più vistosi, oltre al noto assorbimento atmosferico, di norma modesto, sono i seguenti.

1) Il terreno e il mare, illuminati dal r., parzialmente riflettono, per cui il bersaglio è colpito non solo dall'onda diretta, ma anche da un'onda riflessa su queste superfici. Queste due onde sommandosi interferiscono, per cui in dipendenza delle relative fasi si possono avere nella copertura r. direzioni d'interferenza distruttiva, e quindi di visibilità nulla o molto scarsa. Ciò accade nell'ambiente naturale; è però possibile alterare questo ambiente, per es. nel caso di un r. terrestre collocato in un sito fisso, disponendo intorno al r. opportune reti metalliche di schermaggio, tali appunto da impedire che raggi indiretti riflessi sul terreno raggiungano i bersagli.

2) L'eventuale presenza di zone, in cui le condizioni di temperatura e umidità dell'aria sono tali da produrre un gradiente verticale dell'indice di rifrazione con valori superiori al normale, può causare un incurvamento verso il basso della traiettoria dei raggi, più accentuato di quanto avviene di solito per propagazione nell'atmosfera standard. Può così accadere che zone della superficie terrestre oltre il normale orizzonte elettromagnetico vengano illuminate dal r. e, quando le loro dimensioni sono sufficientemente grandi, come nel caso di montagne, riflettano segnali indesiderati di apprezzabile intensità con ritardi superiori a quelli corrispondenti alla massima portata prevista per il radar. Se questi ritardi sono superiori all'intervallo tra due impulsi r. successivi, i corrispondenti echi si possono sovrapporre a quelli di bersagli più vicini, ostacolandone ovviamente la ricezione. Più in generale, le condizioni orografiche determinano le caratteristiche degli echi riflessi dalla superficie terrestre (clutter), soprattutto nelle vicinanze del radar.

Il segnale di clutter proveniente da un'area illuminata dal r. è una tipica forma d'onda aleatoria; pertanto i suoi parametri significativi sono la distribuzione di probabilità delle ampiezze, lo spettro normalizzato della potenza (o la funzione normalizzata di autocorrelazione), e il valore assoluto della potenza (o la sezione riflettente r. equivalente). La distribuzione delle ampiezze di clutter dipende sia dalle caratteristiche della superficie riflettente, tenuto conto anche delle condizioni meteorologiche al momento dell'osservazione e dell'angolo sotto cui la superficie viene vista dal r., sia da taluni parametri dello stesso apparato r., quali frequenza e polarizzazione dell'onda emessa, durata dell'impulso, larghezza del fascio d'antenna. Per scopi di calcolo l'andamento della distribuzione viene spesso approssimato mediante semplici distribuzioni statistiche (Rayleigh, Rice, Weibull, log-normale). Per quanto concerne lo spettro della potenza lo si può considerare di forma gaussiana, nel caso di clutter di terra centrato su frequenza zero, e nel caso del clutter di mare su una frequenza fino a 100 ÷ 200 Hz, in dipendenza della radiofrequenza, dell'angolo d'incidenza e della direzione e velocità del vento. La varianza della distribuzione è di solito compresa tra qualche Hz e qualche decina di Hz. L'energia (e quindi la potenza) di clutter ricevuta dal r. in un tempo pari alla durata di un impulso, cioè alla durata dell'eco di un bersaglio puntiforme, è determinabile con l'equazione fondamentale del radar. In questo caso la sezione riflettente r. è calcolata come prodotto dell'area della sezione di superficie illuminata da un impulso r. per un fattore che rappresenta la riflettività per unità di superficie e che dipende dai medesimi parametri che caratterizzano la distribuzione delle ampiezze. Quale dato tipico, diciamo che la potenza del clutter di terra può essere fino a 30 ÷ 40 dB superiore a quella dell'eco di un piccolo aereo alla medesima distanza.

Oltre alla superficie terrestre anche le nubi e le precipitazioni atmosferiche sono sorgenti di clutter.

In questo caso si può assumere una distribuzione delle ampiezze di Rayleigh, uno spettro della potenza gaussiano, con frequenza centrale che in dipendenza della velocità del vento può arrivare al kHz e con varianza dell'ordine delle decine di Hz, e una potenza di clutter calcolabile analogamente a quella del terreno, con riferimento ai volumi, non alle aree. Il clutter proveniente da una forte pioggia raramente supera di oltre 15 dB l'eco di un piccolo aereo che l'attraversa. Dato il carattere quasi-sferico delle gocce di pioggia, se s'impiegano onde polarizzate circolarmente, il clutter riflesso è quasi tutto nella polarizzazione circolare di senso opposto.

Echi provenienti da regioni apparentemente prive di corpi riflettenti sono detti "angeli"; in realtà si tratta di uccelli, di insetti e, più raramente, di particolari formazioni meteorologiche.

Passando ora ai disturbi dovuti all'uomo, occorre distinguere tra quelli intenzionali e non. Tra i secondi, sono prevalenti le interferenze dovute ad altri r. o a sistemi di comunicazione; tra i primi abbiamo disturbi d'inganno e disturbi di confusione, ambedue ottenibili sia con metodi passivi, cioè senza emissione propria di radiazioni, sia con metodi attivi, cioè con emissione.

Disturbi passivi d'inganno sono quelli in cui si altera la sezione riflettente del bersaglio: tipico è il caso di riduzione mediante rivestimento del bersaglio con materiale assorbente. I disturbi passivi di confusione consistono invece nella creazione di un clutter artificiale, mediante il lancio di nubi di elementi metallici riflettenti (chaff) in forma di striscioline o di lunghi fili; dato che chaff e pioggia sono equalmente soggetti al vento, i loro spettri sono molti simili.

I disturbatori attivi d'inganno trasmettono segnali simili a quelli del r., ma con una temporizzazione differente da quella dei veri echi: così, per es., per ingannare in distanza un r. d'inseguimento, il bersaglio irradierà dapprima un segnale simultaneo e come quello del proprio eco, ma di esso più forte, e poi lo porterà progressivamente fuori coincidenza, cosicché il r. vi rimanga agganciato e ne tragga quindi un errato dato di distanza. Varie sono le forme d'onda che alla frequenza portante del r. possono esser irradiate dai disturbatori attivi di confusione: onda continua, rumore bianco, impulsi più o meno brevi, spazzolamento in frequenza sia lento sia veloce, ecc. I r. moderni sono dotati di efficaci sistemi per combattere questi vari disturbi, per cui il disturbatore è alla fine forzato a usare come tecnica più efficace quella di emettere sull'intera banda r. con uno spettro uniforme.

Osserviamo ancora che nel caso operativo pratico si deve sempre ipotizzare la presenza di più sorgenti di disturbo, localizzate in differenti siti; nel caso di disturbatori intenzionali alcuni opereranno per ottenere un autoschermaggio, mentre altri avranno per obiettivo principale un'azione di mutuo schermaggio.

Moderne soluzioni di sistema. - Agilità di frequenza. - Si ha "agilità di frequenza" quando la frequenza della radiazione emessa cambia da impulso a impulso o per piccoli gruppi di impulsi. L'obiettivo è di far in modo che il bersaglio sia colpito da onde di differenti frequenze, così da garantire migliore rivelazione e possibilità d'inseguimento del bersaglio stesso. Infatti i segnali d'eco di bersagli estesi e del clutter e gli effetti di propagazione, dovuti all'interferenza tra raggio diretto e riflesso da una superficie, sono funzioni della frequenza; variare la frequenza significa allora mediare, e perciò rendere meno significativi, i casi più sfavorevoli, che potrebbero verificarsi a particolari frequenze. Variare la frequenza è anche un ovvio provvedimento contro i disturbi, provvedimento tanto più efficace quanto più larga è la banda entro cui avviene la variazione.

Per quanto concerne le leggi di variazione si possono avere varie possibilità: la più semplice è rappresentata da una sequenza di valori ciclicamente ripetuti sull'intera banda, un'altra soluzione (ovviamente preferita quando si vogliono combattere disturbi intenzionali) si basa su una scelta con legge caotica della frequenza; infine, la soluzione più raffinata si fonda sulla scelta di volta in volta della miglior frequenza (quella di minor disturbo, o quella di massimo segnale).

Forme d'onda trasmesse. - Anziché il singolo breve impulso, emesso dal r. a ogni battuta, s'impiegano oggi forme d'onda particolarmente elaborate, come l'impulso modulato in frequenza, che permette la cosiddetta compressione d'impulso (App. III, 11, p. 538). Si ha così un impulso lungo, e quindi con elevata energia, che però assicura anche buone caratteristiche di precisione e di risoluzione (e quindi buone possibilità di visibilità in clutter). Per lo stesso scopo s'impiegano oggi di preferenza forme d'onda costituite da gruppi d'impulsi, articolati secondo opportuni codici binari; casi tipici sono quelli in cui a 0 e a 1 del codice corrispondono assenza o presenza d'impulso, o fasi opposte della radiofrequenza. L'impiego dell'agilità di frequenza e di queste forme d'onda condiziona in modo pesante la scelta del tubo trasmittente e il progetto del trasmettitore.

La cadenza di ripetizione con cui la forma d'onda viene irradiata è generalmente variabile, mentre la possibilità di variare, preferibilmente in modo aleatorio, anche il codice da impulso a impulso ("agilità di codice") costituisce ovviamente un'efficace tecnica antidisturbo. Poiché un r. a cadenza di ripetizione fissa vede coincidenti in posizione o in frequenza Doppler due echi, che in realtà hanno o ritardi differenti di un multiplo del periodo di ripetizione o frequenze Doppler differenti di un multiplo della cadenza, la variabilità di questa cadenza permette anche di rimuovere queste accidentali sovrapposizioni, particolarmente gravi quando uno dei segnali è clutter e l'altro è il bersaglio.

Posizionamento elettronico del fascio d'antenna. - Se l'antenna è una cortina, mono o bidimensionale, di molti elementi radianti, ciascuno dei quali emette un'onda individualmente controllata in ampiezza e fase, è possibile formare un fascio direttivo e posizionare la direzione del suo massimo con il solo controllo elettronico dei singoli elementi. Se le bocche degli elementi sono disposte su un piano, si riesce così a posizionare il fascio in un cono con l'asse ortogonale al piano e con un'apertura di alcune decine di gradi; se queste bocche sono disposte su un cilindro, a sezione circolare o poligonale (per es., esagonale), si riesce, nel piano ortogonale all'asse, a posizionare il fascio su 360°. In tal modo si possono eliminare o ridurre i movimenti meccanici dell'antenna, sostituendoli con un posizionamento praticamente privo d'inerzia, capace di permettere che al limite ciascun successivo impulso del r. venga emesso secondo direzioni completamente differenti. Si comprende inoltre che, se la potenza irradiata da ciascun elemento è generata nell'elemento stesso, l'avaria di alcuni elementi potrà portare solo qualche deterioramento delle prestazioni operative, ma non un'interruzione totale del funzionamento del radar. Ovvi vantaggi di queste antenne sono quindi l'estrema flessibilità operativa, la possibilità di grandi potenze (come somma di quelle dei singoli elementi) e di fasci molto stretti (antenne di grandi dimensioni, ma fisse), la possibilità di realizzare una superficie radiante che ben sposi una prescritta configurazione geometrica (per es., l'ogiva di un missile), la fidatezza di funzionamento; complessità e costi ne hanno frenato la diffusione.

In questa classe possono esser fatti rientrare come caso limite anche i sistemi con due soli elementi radianti nel piano focale di un riflettore; si possono avere così due fasci con i massimi a differenti elevazioni. Per ricevere meno clutter si osserva la zona vicina (fino ad alcune decine di km) con il fascio diretto verso l'alto, mentre per vedere bersagli lontani a siti bassi s'impiega l'altro fascio. In alternativa, combinando i due fasci in ampiezza e fase, si riesce a costruire un fascio unico, avente il massimo a un'elevazione controllabile in modo adattivo al variare della distanza. Analogo al caso della cortina di radiatori è quello di un sistema costituito dall'antenna principale r. e da alcune antenne secondarie (non direttive), con funzione antidisturbo. Infatti se s'individua la direzione da cui proviene un disturbo attivo (fuori del lobo principale dell'antenna r., ma di sufficiente intensità da disturbare la corretta ricezione degli echi) è possibile combinare i segnali ricevuti dalle antenne secondarie e sommarli coerentemente a quello dell'antenna principale, in modo che il diagramma radiativo risultante abbia uno zero nella direzione di quel disturbo.

Elaborazione del segnale d'eco. - Oggetto primo di queste elaborazioni è la rivelazione e la misurazione degli echi dei bersagli nell'ambiente reale operativo, per quanto avverso questo possa essere.

A tal fine, dopo la conversione a media-frequenza del segnale ricevuto, è per prima cosa opportuno attenuare linearmente il clutter, laddove presente. Ciò al fine di equalizzarne la potenza media al rumore interno del ricevitore, nei casi in cui non vi siano successivamente dei meccanismi di riduzione selettiva del clutter rispetto agli echi di bersagli, o al fine di rientrare nella gamma più ristretta di valori per cui questi meccanismi operano correttamente, quando ne è previsto l'uso. L'attenuazione introdotta può avere un andamento che in funzione della distanza segue una legge precostituita sulla base di generali dati statistici, o in alternativa si adatta all'effettiva situazione di clutter.

Dopo si opera la vera e propria elaborazione del segnale. Per semplicità espositiva si considera solo il caso in cui il r. abbia emesso una sequenza di singoli impulsi uguali con cadenza di ripetizione costante. In questo caso il ricevitore ottimale è quello che divide l'intervallo di distanza tra due successivi impulsi in tante celle elementari m, pari alla durata dell'impulso stesso, e per ogni cella considera un numero di segnali ricevuti successivi pari al numero d'impulsi N, che può colpire un bersaglio durante un passaggio dell'antenna; questo gruppo di segnali, che corrispondono a ritorni dalla stessa posizione, ma sono echi d'impulsi successivi nel tempo, vengono analizzati in frequenza mediante un banco di filtri (il cui numero massimo significativo si dimostra esser pari a N). Si hanno così in uscita mN dati, per ognuno dei quali si può predisporre una soglia, rispetto al superamento della quale affermiamo la presenza o meno di un bersaglio a quella distanza e con la velocità propria della frequenza Doppler di quel filtro.

La scelta dei valori delle soglie è determinante per le prestazioni del r., proprio perché in questa scelta si può cercare di tener conto al massimo delle caratteristiche dell'ambiente e di garantire così per tutte le situazioni la medesima probabilità di falso allarme (rumore o disturbo sopra la soglia), nota come "caratteristica CFAR" (Constant False Alarm Rate). Anzitutto, per un r. terrestre in una data postazione, il filtro a frequenza zero vedrà il clutter del terreno (fig. 2), e pertanto sarà bene fissare le soglie per le varie distanze e direzioni in funzione di una conoscenza predeterminata di questo clutter (mappa del clutter). Negli altri filtri invece potrà trovarsi del disturbo dovuto a clutter di tipo meteorologico, ad angeli, a chaff, tutti casi in cui la sorgente di disturbo è in moto relativo rispetto al r.; questi disturbi coprono generalmente più celle di distanza, per cui la soglia di una data cella può esser convenientemente fissata in modo adattivo sulla base delle uscite di un certo numero di celle in distanza, prima e dopo di quella in esame, ma tutte relative al medesimo filtro Doppler. Così, per es., nel caso di clutter meteorologico, sfruttando sia l'impiego della polarizzazione circolare dell'onda irradiata (poco riflessa dalla pioggia nella polarizzazione trasmessa) sia un ricevitore del tipo descritto, è possibile vedere bene anche un piccolo aereo in una forte pioggia (visibilità sub-clutter).

Poiché per un r. terrestre la maggior parte del clutter è concentrata a frequenza zero e ha una potenza molto superiore a quella degli echi dei bersagli mobili, si preferisce in pratica una struttura di filtraggio in frequenza a due passi: un filtro che fortemente attenua la banda di frequenze intorno allo zero, e la cui uscita è inviata al banco di tutti gli altri filtri. Il primo filtro può essere del tipo MTI (Moving Target Indicator), già descritto, di solito operante su tre impulsi. Il successivo banco di filtri c'è solo nei sistemi più sofisticati (la sua mancanza significa tra l'altro rinunciare a visibilità sub-clutter, per il tipo meteorologico, angeli, chaff). Quando non c'è il banco di filtri, c'è per lo più un rivelatore automatico di bersaglio, basato sul conteggio delle presenze di echi tra gli N impulsi che raggiungono il bersaglio in un passaggio dell'antenna. Se il r. è su un mezzo mobile, il clutter di terra o di mare non appare più a frequenza zero, ma alla frequenza Doppler corrispondente alla velocità relativa; si può allora realizzare un sistema adattivo, che sulla base di questa velocità sposti le frequenze così da riportare il clutter fisso a frequenza zero.

Nei r. più piccoli si evitano queste complesse soluzioni e si rinuncia alla possibilità di vedere bersagli sotto il livello di clutter. In questi casi ci si preoccupa solo di portare il livello di clutter a quello del fondo di rumore proprio; se possibile, si ha così, con un'unica soglia di rivelazione, la caratteristica CFAR. Se la distribuzione delle ampiezze del clutter è tale che varianza e valor medio siano proporzionali, ciò si può ottenere con un'amplificazione avente caratteristica logaritmica. In altri casi la caratteristica CFAR si raggiunge invece con una soglia variabile, che adattivamente segue l'andamento del clutter. Anche in presenza di disturbo su banda larga è facile ottenere una caratteristica CFAR: basta prima normalizzare il disturbo rispetto al rumore con un limitatore che taglia la forma d'onda a bassissimo livello entro il rumore, e poi filtrare l'uscita con una banda stretta, adattata all'impulso trasmesso (ricevitore Dickefix). Vedi tav. f. t.

Bibl.: M. I. Skolnik, Introduction to radar systems, New York 1962 (trad. it. Roma 1972); F. E. Nathanson, Radar design principles, ivi 1969; M. I. Skolnik, Radar handbook, ivi 1970; Radar present and future, Rendiconti della Conferenza IEE (Institution of Electrical Engineers), Londra 1973; Special issue on modern radar technology and applications, in Proceedings IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers), giugno 1974. Articoli vari compaiono correntemente sulle IEEE Transactions on aerospace and electronic systems, e, in lingua italiana, su Alta frequenza e Rivista tecnica Selenia.