Tipi e Caratteristiche Generali Radar Pavan [PDF]

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Convegno ISPRA Caratterizzazione delle emissioni elettromagnetiche delle sorgenti radar: individuazione delle metodiche e delle specifiche tecniche degli strumenti di misura Roma, 29 marzo 2011

Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale Galati G. , Pavan G. Università di Roma - Tor Vergata Via del Politecnico, 1 00133 Roma e-mail: [email protected] , [email protected]

ISPRA - Roma, 29 marzo 2011

Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale

SOMMARIO ‰ Introduzione ai Sistemi di Rilevamento Radar (Cenni storici) ‰ Uso delle Gamme di Frequenza nei Sistemi Radar ‰ Principali Parametri e Forme d’Onda del Radar ‰ Sistemi di Sorveglianza Radar per il Controllo del Traffico Aereo (ATC) ‰ Sistemi di Sorveglianza Radar-Meteorologica in ambito Aeroportuale ‰ Sistemi Radar-Meteorologici per la tutela ambientale

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Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale

Sistemi di Rilevamento Radar con finalità di Sorveglianza e di Studio dell’Ambiente circostante Segnale emesso a)

BERSAGLI

RADAR DI SORVEGLIANZA

“Eco” radar

Sistema di sorveglianza e/o inseguimento: rivelazione e localizzazione di oggetti (spesso chiamati bersagli, targets) Tipo e posizione dei bersagli Segnale emesso (eccitazione dell’ambiente) RADAR PER b)

TELERILEVAMENTO

Mappa di parametri ambientali

“Eco” radar (risposta dell’ambiente)

Sistema di telerilevamento e/o monitoraggio ambientale: misure di riflettività, di “Shift Doppler”, polarimetriche e non, ...

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CENNI STORICI E SVILUPPO DEL RADAR ‰ Il Secondo Conflitto Mondiale ƒ Durante la seconda guerra mondiale si svilupparono con grandissima velocità tecniche e sistemi quali le microonde (si arrivò, già nel 1943, a radar avionici operanti a 9-10 GHz).

Laboratori GEC Research Wembley (Londra): prototipo di tubo a vuoto.

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‰ Il Dopoguerra ƒ Dopo la fine del conflitto vennero sistematizzate le teorie di base (Marcum, Swerling) e le tecnologie, in particolare quelle a microonde: amplificatore klystron negli anni '50, tubi ad onda progressiva TWT.

Travelling Wave Tube, TWT: tubo a vuoto in cui la modulazione di densità del fascio di elettroni non è ottenuta in modo statico (campo di deriva non soggetto a campi elettromagnetici), ma tramite una “onda viaggiante – travelling wave ” supportata da una struttura elicoidale eccitata dal segnale da amplificare Klystron amplificatore VA 87

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‰ Gli anni '60 e '70 ƒ Catene ricetrasmittenti sufficientemente stabili capaci di consentire la rivelazione di bersagli aerei in presenza di forti echi fissi (MTI). ƒ Sistemi di inseguimento precisi e relativamente immuni ai disturbi. ƒ Prime applicazioni dell'elaborazione numerica e automatica dei dati radar. ƒ Radar meteorologici, generalmente privi delle capacità Doppler. ƒ Radar ad antenna sintetica (Synthetic Aperture Radar) su piattaforma avionica. ‰ Gli anni '80 e '90 Sistemi Radar: - SAR su satellite - Meteo Doppler e polarimetrici - “Wind profiler” che misurano vento in quota - 3D per la difesa aerea

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‰ Dagli anni '90 al presente Tecnologie: - Sviluppo delle DSP: MTD (Moving Target Detector) e MTI adattivo - Tecniche di tracciamento (Track-While-Scan) automatiche - Rice-trasmissione in gamma millimetrica (intorno a 35, 76, 94 GHz) - Trasmettitori modulari allo stato solido - Antenne a schiera (Phased Array).

Esempio di amplificatore a stato solido “3 watt 2 stadi” (dim. 6.6x3.8 mm)

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FREQUENZE RADAR Denominazione delle gamme di frequenza (IEEE Std. 521, 1984) Banda

Frequenze

HF

3 - 30 MHz

VHF

30 - 300 MHz

UHF

300 - 1000 MHz

L

1 - 2 GHz

S

2 - 4 GHz

C

4 - 8 GHz

X

8 - 12 GHz

Ku

12 - 18 GHz

K

18 - 27 GHz

Ka

27 - 40 GHz

V

40 - 75 GHz

W

75 - 110 GHz

mm

110 - 300 GHz

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USO DELLE GAMME DI FREQUENZA Banda L (1 - 2 GHz) ‰ L'attenuazione dovuta alla precipitazione è di solito molto modesta. Le applicazioni più importanti sono la sorveglianza aerea a lunga distanza (400 km) ed i radar secondari. Banda S (2 - 4 GHz) ‰ Rispetto alla banda L ha una migliore risoluzione angolare. Radar primari di sorveglianza dell'area di manovra terminale, radar di difesa aerea a media e grande distanza, radar meteo, radar militari 3D. L'attenuazione atmosferica di norma è tollerabile. Banda C (4 - 8 GHz) ‰ Costituisce un compromesso tra la banda X e la banda S. Radar di sorveglianza a breve e media distanza ed inseguimento. Di rilievo i radar meteo utilizzati in Europa ed in Italia. Banda X (8 - 12 GHz) ‰ Piccola lunghezze d'onda che permettono la realizzazione di apparati di dimensione, costo e peso ridotti, ideali per applicazioni mobili. La presenza di pioggia ne può pregiudicare le prestazioni.

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USO DELLE GAMME DI FREQUENZA (segue) Bande K, Ku e Ka (12.5 - 40 GHz) ‰ A queste frequenze il clutter da pioggia e l'attenuazione costituiscono un fattore limitante. E’ possibile realizzare antenne con fasci estremamente stretti per essere impiegati con successo nei radar SMR per il controllo del traffico sulla superficie aeroportuale (banda Ku) e per i radar multifunzionali avionici. Lunghezze d'onda millimetriche (sopra 40 GHz) ‰ Questa banda è caratterizzata da un'elevata attenuazione, che limita fortemente la portata specialmente in pioggia. Esiste una finestra di utilizzo intorno a 94 GHz, che è stata utilizzata nel miniradar sviluppato ed installato nel 2001 in forma operativa per il controllo del traffico sulla superficie aeroportuale (SMR ad alta definizione).

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Principali Parametri del Radar I radar più comunemente impiegati per medie-grandi distanze sono di tipo impulsato. In base alla normativa vigente sulle emissioni elettromagnetiche, i parametri del radar che interessano sono: ‰ La frequenza di lavoro del radar ‰ La durata degli impulsi (τ) ‰ Il Tempo di Ripetizione degli Impulsi: T = PRT (Frequenza di Ripetizione degli Impulsi: PRF = 1/T) ‰ Il “ciclo di lavoro” (“duty-cycle” = τ/T) ‰ Il tempo di persistenza sul bersaglio (tempo di illuminazione, dwell time) ‰ La potenza di picco del segnale ‰ Periodo rotazione dell’antenna (velocità di rotazione e larghezza del fascio d’antenna -3 dB) ‰ La potenza media

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FORME D’ONDA DI UN TIPICO RADAR DI SORVEGLIANZA IMPULSATO A(t)

Δt = 1 μ s corrisponde a R = 150 m c = 3 ⋅ 10 8 m / s τ = 1μ s P = 1 MW Pm = 1 kW duty cycle = 0.001 2R − 12 Δt = eco = 10 W c t

2R/c

PRT =PRT 1 ms

2R/c

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Diagramma di radiazione di una tipica antenna radar

θ B ( gradi ) ≅ 65

z

y x

ϕB ( gradi ) ≅ 65

Diagramma a Pencil Beam Diagramma a Fan Beam

Gmax

λ DAz .

λ DEl .

26.000 ≅ θ B ⋅ϕB

Gmax = 4π

Ae

λ2

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Numero di impulsi sul bersaglio ‰ Nelle applicazioni di sorveglianza terrestre (ATC, difesa aerea) e di meteorologia di solito si lavora con radar a bassa PRF.

N = PRF ⋅ t D ‰ tD = Dwell Time (tempo di insistenza), intervallo di tempo nel quale l'oggetto è illuminato dal fascio a -3 dB.

tD =

θB 6ωrpm

(secondi)

‰ ωrpm velocità angolare di rotazione attorno all'asse verticale (scansione azimutale) costante e θB larghezza del fascio in azimut.

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Servizi di Sorveglianza ATC

Rotta (En Route) Superficie Aeroportuale (SURF)

Avvicinamento (TMA, Terminal Moving Area)

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Sorveglianza indipendente non cooperativa PSR - Primary Surveillance Radar L-Band Radar - copertura 200 nm 9 sensori utilizzati per i servizi di sorveglianza ER

(*) Dati ENAV

S Band Radar – copertura 60 nm 17 sensori utilizzati per i servizi di sorveglianza TMA Doppi sensori a Fiumicino e Malpensa

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Sorveglianza indipendente cooperativa Il Radar Secondario: Secondary Surveillance Radar (SSR)

trasponder

Per un radar SSR è sufficiente una potenza di picco dell'ordine del kW, quindi le stazioni di terra (interrogatori SSR) sono piccole e assorbono poca potenza: il ricetrasmettitore di un interrogatore SSR è contenuto in un piccolo armadio.

antenna

Interrogatore Plot extractor

ATC display

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Sorveglianza indipendente cooperativa - Secondary Surveillance Radar Mode S – copertura 220 nm (ER) e 180 nm (TMA)

12 sensori utilizzati per i servizi di sorveglianza ER Antenna ALE 3x5

Antenna SSR ALE-9

+

Antenna PSR G-33

17 sensori utilizzati per i servizi di sorveglianza TMA (Doppi sensori a Fiumicino e Malpensa)

(*) Dati ENAV

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Servizi di sorveglianza temporanei

PSR e SSR

Servizi di rotta: 1 SSR

Trasportabili Servizi di avvicinamento: 2 PSR + 2 SSR

(*) Dati ENAV

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Copertura di Rotta - Spazio Aereo Nazionale CURVE DI VISIBILITÀ RADAR PER FL=300 SITUAZIONE ATTUALE Sito 1 ⇒ CARAFFA (SSR/M)

Copertura radar singola Copertura radar doppia

Sito 2 ⇒ MONTE LESIMA (SSR/M)

Copertura radar tripla

Sito 3 ⇒ MACCARESE (SSR/M)

Sito 4 ⇒ MASSERIA ORIMINI(SSR/M)

Sito 5 ⇒ MONTE CODI (SSR/SSI-70)

Sito 6 ⇒ MONTE STELLA (SSR/M)

Sito 7 ⇒ PESCHIERA (SSR)

Sito 8 ⇒ POGGIO LECCETA (SSR/SIR-7)

Sito 9 ⇒ RAVENNA (SSR/M)

Sito 10 ⇒ USTICA (SSR/M)

(*) Dati ENAV

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Caratteristiche Antenna G-33 dell’ ATCR-33 K Frequenza di lavoro

da 2700 MHz a 2900 MHz

Polarizzazione

lineare o circolare (selezionabili)

Fascio

Un fascio principale e uno ausiliario

Tipo di copertura elevazione

Cosec2

Guadagno

34 dB (fascio principale), 32 dB (fascio ausiliario)

Angolo 3 dB in azimut

1.45°

Angolo 3 dB in elevazione

5°

Velocità rotazione

da 10 a 15 rpm (selezionabili)

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Caratteristiche del trasmettitore dell’ATCR-33 K Distanza massima

80 nm

Tipo di klystron

ET820

Potenza di picco

1.2 MW

Potenza media

1.2 KW

Larghezza impulso

1 μs

PRF media

1000 Hz

Caratteristiche del Trasmettitore del sistema ATCR-33 S Distanza massima di 100 nm (70 nm) Potenza di picco

14 KW (28 KW opzionale)

Forma d’onda trasmessa

un impulso corto per copertura vicina: 10 μs un impulso corto per copertura lontana: 100 - 150 μs differenti lunghezze per altre applicazioni Tutti gli impulsi sono compressi a 1 μs

PRF media

1000 Hz

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ATCR – 44 S 32 μs

150 μs

150 μs SWEEP i TIMING

32 μs

150 μs

32 μs

150 μs SWEEP i+1

Forme d’onda

Il trasmettitore ‰ Tecnologia allo stato solido, con un elevato grado di modularità e possibilità di sostituzione on line dei moduli guasti. ‰ Architettura fail-soft: le uscite dei singoli moduli di potenza sono combinate linearmente per ottenere la potenza richiesta; le prestazioni globali del sistema in termini di potenza di uscita, sono degradate in modo graduale in funzione del numero di moduli guasti. ‰ Duty cicle tipico del 9 – 10 %: la configurazione è composta da 16 catene di potenza a RF (RFPC) e fornisce una potenza di picco di 24 kW in uscita nella banda 1250 - 1350 MHz (Banda L).

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Sorveglianza di Superficie Si basa sull’acquisizione e l’integrazione (data fusion) di dati provenienti da sensori noncooperativi (SMR e HRR) e cooperativi (MLAT) •

Surface Movement Radar (9 SMR) Doppi sensori a Fiumicino e Malpensa

(*) Dati ENAV

•

High Resolution Radar

(1 HRR)

•

Multilateration System

(3 MLAT)

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Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale

Sorveglianza di Superficie ad alta definizione Caratteristiche Del miniradar in banda W Tipo di antenna

Singolo riflettore a doppia curvatura

Tipo di fascio

Fascio sagomato e focalizzato nel piano verticale, di tipo cosecante quadro invertito.

Copertura in elevazione Angoli di elevazione compresi fra -0.57° e -31° Banda di frequenza

95 GHz

Gmax

53.5 dB

Polarizzazione

Circolare destra

Potenza di picco

2 KW

Potenza media

5W

BW in azimut

0.2°

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Servizio Meteorologico in Ambito Aeroportuale TDWR - Terminal Doppler Weather Radar - Rilevazione dei fenomeni di precipitazione atmosferica (pioggia, grandine, neve) - Rilevazione dei fenomeni pericolosi per il volo soprattutto nelle fasi terminali (turbolenza e divergenza del vento) 3 Radar (Linate, Fiumicino, Palermo) (+ Dati Meteo AMI e DPC/ARPA) (*) Dati ENAV

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Radar di Terminale

Radar di Rotta Sito

Radar Primario PSR/Ant.

Radar Secondario SSR/Ant.

SIR-S/ALE-9

Venezia

ATCR-33S/G33

SIR-S/ALE-9

ATCR-44S/G14

SIR-S/ALE-9

Napoli

ATCR-33S/G33

SIR-S/ALE-9

P. Lecceta

ATCR-44S/G14

SIR-S/ALE-9

Lambro

ATCR-33K/G33

SIR-S/ALE-9

M. Lesima

ATCR-44S/G14

SIR-S/ALE-9

Fiumicino 1

ATCR-33S/G33

SIR-S/ALE-9

Ravenna

ATCR-44S/G14

SIR-S/ALE-9

Fiumicino 2

ATCR-33S/G33

SIR-S/ALE-9

Ustica

ATCR-44S/G14

SIR-S/ALE-9

Torino

ATCR-33K/G33I

SIR-M

Peschiera

ATCR-44S/G14

SIR-S/ALE-9

Malpensa 1

ATCR-33S/G33I

SIR-S

M. Orimini

ATCR-44K/G14

SIR-S/ALE-9

Genova

ATCR-33S/G33I

SIR-S

Maccarese

ATCR-44K/G14

SIR-M/ALE-9

Palermo

ATCR-33S/G33I

SIR-M

Caraffa di CZ

SIR-M/ALE-9

Bologna

ATCR-33S/G33I

SIR-M

Cima Canistreddu

SIR-S/ALE-9

Firenze

ATCR-33S/G33I

SIR-S

Olbia

ATCR-33S/G33

SIR-S/ALE-9

Colle Marmo

SIR-S/ALE-9

Bari

ATCR-33S/G33

SIR-S/ALE-9

Lamezia

ATCR-33S/G33

SIR-S/ALE-9

Bergamo

ATCR-33S/G33

SIR-S/ALE-9

Sito

Radar Primario PSR/Ant.

Radar Secondario SSR/Ant.

Monte Codi

ATCR-44S/G14

Monte Stella

Radar Meteo Sito

Tipo

Fiumicino (Aranova)

Gematronik/1500

Ronchi

ATCR-33S/G33

SIR-S/ALE-9

Linate

Gematronik/1500

Malpensa 2

ATCR-33S/G33

SIR-S/ALE-9

Palermo

Gematronik/1500

(*) Dati ENAV

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Sistemi Radar-Meteorologici per la tutela ambientale Progetto METEONET (*) ‰ Ambito: Piano Triennale di Tutela Ambientale, 1994 -1996 Progetto SINA: Sistema Informativo Nazionale per l'Ambiente ‰ Scopo: realizzazione di un sistema operativo di interconnessione e fusione dei dati di radar meteorologici, dati di terra e dati da satellite del bacino del Nord Italia.

(*) http://www.arpa.veneto.it/cmt/meteo/htm/meteonet.htm

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I radar della rete Meteonet e il loro raggio d'azione ‰ Emilia Romagna: S. Pietro Capofiume (BO) ‰ Veneto: Teolo (PD) ‰ Piemonte: Bric della Croce (TO) ‰ Friuli Venezia Giulia: Fossalon di Grado (GO) Si sono pio aggiunte: ‰ Trentino: M. Macaion (TN) ‰ Lombardia: Spino d'Adda (CR) ‰ Abruzzo e Sardegna sono state inserite nel progetto con il ruolo di osservatori in previsione di un loro ingresso attivo nella rete.

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I radar della rete Meteonet e il loro raggio d'azione

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Schema sinottico della rete METEONET

In verde i nodi "master"

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Esempio di immagine mosaicata: composizione delle mappe radar di Veneto, Emilia, Friuli, Lombardia, Trentino Alto-Adige e Piemonte

Intensità di precipitazione

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POLAR 55C (ISAC/CNR – Area di Tor Vergata) Antenna Type

Offset fed Paraboloid

Feed

Corrugated horn

Aperture diameter

4.57 m

Polarization

Horizontal and Vertical

Azimuth beamwidth

0.92 deg

Elevation beamwidth

1.02 deg

Gain

45.5 dB

Sidelobe level

-32 dB

Cross Polarization

-27 dB

Transmitter Power Amplifier

Klystron VCK 7762

Frequency

Fixed, selectable (5600-5650 MHz)

Peak Power

500 kW

Pulse width (maximum)

0.5 – 1.5 - 3.0 μs

PRF

1200 – 600 – 300 Hz

Average Power

300 – 450 – 450 W

Available polarizations

H and V

http://polar55c.artov.isac.cnr.it/

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METEOR 200 (Università di “Tor Vergata”) Antenna

Riflettore parabolico

Diametro del riflettore

2m

Polarizzazione

Orizzontale

Larghezza di fascio

1.25°

Guadagno

41 dB

Livello dei lobi secondari

- 24 dB

Peso complessivo

580 Kg

Trasmettitore

Magnetron

Potenza

200 KW picco, 140 W media

Durata dell’impulso

0.5 μs (impulso corto) – 3 μs (lungo)

PRF

1200 Hz (impulso corto) – 240 Hz (lungo)

Frequenza operativa

9345 – 9405 MHz (9375 normale)

Ricevitore

Logaritmico

Cifra di rumore (Noise figure)

9 dB

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Grazie per… L’attenzione!!!