a) radar - InfoCom

Radar e Link Budget
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
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Radar e Link Budget - 1
RADAR
dio
Il RADAR serve allora a:
RIVELARE AL PRESENZA E
MISURARE LA DISTANZA
facendo uso di onde radio.
etection
nd
anging
Attualmente ciò che si chiede ad un radar è molto
di più:
-
Misure di posizione (distanza, azimuth, quota)
Misure di velocità
Riconoscimento degli echi
Costruzione di mappe del territorio
Applicazioni possibili:
• sorveglianza: rivelazione e
localizzazione di oggetti (ad es. aerei,
navi etc.);
• monitoraggio ambientale: studio della
terra, analisi delle risorse etc.;
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Radar Primario e Secondario
Tipica installazione
di radar per Controllo
del Traffico Aereo Civile:
Radar secondario
Sfrutta risposta del trasponder
a bordo dell’aeromobile
Radar primario
Sfrutta riflessione del segnale
da parte dell’aeromobile
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da: "A Family of Radars for Advanced Systems", E. Giaccari, C.A. Penazzi, Alta Frequenza, Aprile 1989
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Radar e Link Budget - 3
Radar: Esempio uso in ATC
Combined display
of ATCAS
(FIR of Rome)
Air
Traffic
Control
Automated
System
Flight
Information
Region
of Rome
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Applicazioni dei radar
I radar possono essere
classificati in base a:
► la funzione sviluppata
-Radar di avvistamento
-Radar costieri
-Radar meteorologici
-Radar aeroportuali (TAXI)
-Radar di precisione per atterraggio (PAR)
-Radar di avvistamento precoce (Early Warning)
-Radar di navigazione
-Radar anticollisione
-Radar portuali
-Radar di inseguimento
-Radar di guida
-Radar altimetri
-Radar di immagine
-Radar multifunzionali
European Multifunction Phased Array Radar
From: E. Giaccari, C.A. Penazzi - “A Family of Radars
for Advanced Systems”, Alta Frequenza, April 1989
radar meteo di San
Pietro Capofiume (BO)
High-res (<1 m) DRA X band image (rural
scene) British Crown Copyright 1997/DERA
From: C.J. Oliver, S. Quegan, ”Understanding Synthetic
Aperture Radar Images”, Artech House, 1998
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Radar su piattaforma mobile
EMPAR
-Radar terrestri (Ground-Based)
(fissi/trasportabili/mobili)
-Radar navali (Ship-Borne)
-Radar avionici (Air-Borne)
-Radar satellitari (Space-Borne/Space-Based)
AWACS:
Airborne Warning
and Control
System
SOSTAR-X
Stand Off Surveillance and Target
Acquisition Radar
COSMO-SkyMed
TerraSAR-X
http://www.skyrocket.de/space/
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GRIFO Multimode Radar
Courtesy of FIAR
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Il Radar Primario
•
Principio di funzionamento:
– Il radar invia un impulso (ad esempio di forma
rettangolare) su una frequenza portante assegnata
– L’impulso trasmesso viene riflesso dal corpo
dell’aeromobile: una parte dell’energia che
raggiunge l’aeromobile viene riflessa indietro verso
il radar (back-scattering) mentre la parte restante
viene inviata in altre direzioni
– La ricezione dell’impulso riflesso
consente di rivelare l’aereo
f0
interrogazione
riflessione
f0
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Il Radar Secondario
•
Principio di funzionamento:
– L’interrogatore invia una coppia di impulsi alla frequenza di 1030 MHz:
– Il trasponder di bordo riceve la coppia di impulsi e capisce di essere interrogato
– Dopo un tempo di latenza concordato (50 s), il trasponder invia indietro una
sequenza di impulsi sulla frequenza di 1090 MHz
1030 MHz
interrogazione
risposta
1090 MHz
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Schema del radar
Tx
Mod
Trigger
Dup
Display
Range
LNA
IF
Det
V Amp
near by clutter
Antenna
Control
Mech
Angle Data
LO
Filtro IF:
matched filter
Confronto del segnale ricevuto ed elaborato con una soglia VT:
soglia fissata in modo da assicurare una Pfa costante e preassegnato.
informazione quantizzata:
•0-assenza bersaglio;
•1-presenza bersaglio;
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Localizzazione: misura della distanza
• Segnale trasmesso: impulso con durata e lunghezza d’onda della portante (frequenza portante fc=c/)
impulso
trasmesso
Tx

t
• Segnale ricevuto: eco retrodiffusa da bersaglio a distanza R
impulso
trasmesso
Tx
Rx-T
eco dal
bersaglio
t  2 R c
• LOCALIZZAZIONE 
z
t
•distanza bersaglio-antenna radar (range) è misurata valutando il
tempo di ritardo dell’eco rispetto al tempo di trasmissione
dell’impulso
T
R

Oantenna
R 
y

x
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c t
2
R: range (metri);
c: velocità della luce (circa
2.998·108 m/s);
t: ritardo (secondi);
• angoli elevazione  e azimuth  sono misurati a partire dalla
posizione attuale dell’antenna posta in rotazione ;
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Radar e Link Budget - 10
La rivelazione Radar
RIVELAZIONE  la presenza del bersaglio è rivelata rivelando la presenza dell’eco relativa
Come fa il radar a rivelare
la presenza dell’eco
relativa ad un bersaglio?
il segnale ricevuto, opportunamente elaborato, è
confrontato con un livello di soglia:
•segnale ricevuto sotto la soglia: bersaglio assente
•segnale ricevuto sopra la soglia: bersaglio presente
PROBLEMA: il segnale ricevuto è dato dalla somma dell’eco dal bersaglio (componente utile da
rivelare) e da segnali di disturbo (indesiderati):
•Noise: rumore termico in genere di origine interna al ricevitore;
•Clutter: echi da bersagli ambientali quali terra, mare, pioggia;
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Rivelazione (II)
Curve di Marcum
• Disturbo gaussiano potenza n2;
• Bersaglio con dato SNR;
Merrill Skolnik, “Introduction to radar systems”, McGraw-Hill, 1984;
PROBABILITA’ DI FALSO ALLARME
Pfa  e
V2
 T
2 n2
dipende dalla soglia VT e dalla potenza del rumore n2:
fissato il valore di Pfa desiderata e nota la potenza di
rumore n2 risulta individuato il livello di soglia VT.
PROBABILITA’ DI RIVELAZIONE
Pd 
 V

1
1  erf  T  SNR 
2 
n 2

dipende dal rapporto fra la soglia VT e il valore rms di
rumore n e dal rapporto segnale a rumore SNR.
Nota la Pfa desiderata e il minimo valore di Pd che si intende garantire si
legge SNRmin necessario per garantire le prestazioni volute in
corrispondenza delle quali definire la portata
Ad es.: per Pfa=10-6 e Pd=0.9  SNR=13 dB.
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Risoluzione in distanza
Condizione operativa: sono presenti due bersagli T1 e T2 rispettivamente a distanza R1 e R2.
RISPOSTA: dipende dalla distanza
relativa dei due bersagli (R2-R1)
comparata con la risoluzione in
distanza (r) del radar.
DOMANDA: il radar è in grado di
discriminare i due bersagli?
(cioè il radar vede i due bersagli come
due echi distinti?)
• I due bersagli sono discriminati (“risolti”) se
è verificata la condizione:
c
t2  t1  durata eco  R2  R1  durata eco
2
impulso
trasmesso
eco da T1
Tx
Rx-T1
eco da T2
r 
Rx-T2
t1  2 R1 c
t
c
durata eco
2
t 2  2 R 2 c
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Risoluzione in distanza (II)
RISPOSTA: dipende dalla banda della forma
d’onda trasmessa.
DOMANDA: Quale è la durata dell’eco dal
generico bersaglio?
• Forma d’onda trasmessa=impulso semplice non codificato di durata 
Durata eco valutata in uscita al filtro adattato pari a 1/B
•In ingresso al filtro adattato alla forma d’onda trasmessa:
impulso rettangolare di durata ;
r 
•In uscita al filtro adattato alla forma d’onda trasmessa:
impulso triangolare di durata  (durata a 3 dB);
c
c

2
2B
ad es.: con =1s  r=150m: bersagli a distanza relativa
minore di 150m sono visti dal radar come un unico bersaglio.
• Forma d’onda trasmessa=chirp di durata e di banda B
•In ingresso al filtro adattato alla forma d’onda trasmessa:
impulso chirp di durata ;
•In uscita al filtro adattato alla forma d’onda trasmessa:
impulso sinc di durata 1/B (durata a 3 dB);
Durata eco valutata in uscita al filtro adattato pari a
1/B=t/RC (RC: Rapporto Compressione del chirp)
r 
c
2B
ad es.: con =100 MHz  r=1.5 m: bersagli a distanza relativa
minore di 1.5 m sono visti dal radar come un unico bersaglio.
In generale indipendentemente dalla forma d’onda trasmessa la
risoluzione in distanza dipende unicamente dalla banda (r=c/2B).
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Radar e Link Budget - 14
Ambiguità in distanza
• Segnale trasmesso: sequenza di impulsi (ciascuno durata  e lunghezza d’onda ) con:
- T periodo di ripetizione dell’impuso (PRT: Pulse Repetition Time);
- 1/T frequenza di ripetizione dell’impulso (PRF: Pulse Repetition Frequency);
impulso
trasmesso n°1
il radar sta ricevendo
Tx
=/T DUTY CICLE
ad es. =1s & T=1ms  =0.001
impulso
trasmesso n°2
…..
Tx
t
T
RISPOSTA: dipende dalla distanza del bersaglio R
comparata alla massima distanza non ambigua Rna.
DOMANDA: il radar è in grado di misurare in modo non
ambiguo il range di un bersaglio posto a distanza R?
impulso
trasmesso n°1
A
impulso
trasmesso n°2
eco relativa
impulso tx A
target a R1=ct1/2
A1
B
eco relativa
impulso tx A
target a R2=ct2/2
A2
T
t
t2’
t1
t2=T+ t2’
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•La distanza è misurata in modo non ambiguo se è
verificata la condizione:
cT
t  T  R 
2
•la massima distanza non ambigua è quindi data da
R na 
cT
2
•bersagli a distanza R>Rna sono visti dal radar a
distanza R’=R mod(Rna)
ad es.: con T=1ms  Rna=150Km: bersagli a distanza
maggiore di 150 Km sono visti dal radar su tracce successive
Radar e Link Budget - 15
Localizzazione: misura dell’angolo
• Sistema radar usa antenne direttive (tutta la potenza radiata in una direzione
 il radar riesce a vedere a distanza maggiore).
DOMANDA: come fa il radar a rivelare e
localizzare bersagli posti in una qualunque
posizione angolare?
RISPOSTA: scansione ambiente tramite
rotazione azimutale dell’antenna (scan rate a
tra 1 e 60 rpm).
Forme fascio d’antenna
• Pencil beam
•fascio assialmente simmetrico;
•larghezza del fascio dell’ordine di pochi gradi o meno;
•utilizzati quando è necessario misurare continuamente
entrambi azimuth e elevazione del bersaglio (ad es. per
inseguimento);
• Fan beam
•fascio largo in una dimensione e stretto nell’altro;
•utilizzato quando ci sono vincoli sul max scan time;
•radar di ricerca ground based utilizzano fasci stretti in
azimuth e larghi in elevazione;
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Risoluzione in angolo
• Localizzazione angolare del bersaglio: direzione del bersaglio direzione del boresight d’antenna.
• Condizione operativa: presenti due bersagli T1 e T2 entrambi a distanza R separati azimutalmente di .
DOMANDA: il radar è in grado di
discriminare i due bersagli? (cioè il radar vede
i due bersagli come due echi distinti?)
•Risoluzione in range (banda impulso trasmesso)
RISPOSTA: dipende dalla separazione
angolare  dei due bersagli comparata con
la larghezza del fascio d’antenna A:
• < A: il radar vede un solo bersaglio;
•   A: il radar discrimina i due bersagli;
Cella di risoluzione spaziale
•Risoluzione in angolo (larghezza del fascio
d’antenna)
c/(2B)
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Tipologie di antenne
• Antenne lineari:
- dipoli herziani
- array di dipoli (Yagi, Logaritmiche, … )
• Antenne a telaio:
- Anelli chiusi (loop)
• Antenne ad apertura:
- paraboloidi
- array a slotted waveguide
- phased arrays
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Pattern di Antenne ad apertura
Trasformata di Fourier della
corrente sull’apertura di antenna
Lx
2
a
Ly
2
  I (x, y) e
e

 j k R ( x, y )
dx dy  e
Lx Ly

2 2
Lx
2
Ly
2
  I (x, y) e
jkr

j k  x sin a  y sine 
dx dy
Lx Ly

2 2
I ( x, y)  rectLx ( x)  rect Ly ( y)
Lx
2


Ly
2
 rectLx ( x)  rectLy ( y) e
j k  x sin  a  y sin  e 
dx dy  e
jkr
Lx L y

2
2
Lx
2
 rectLx ( x) e

 k

 k

 e  j k r sinc  Lx sin  a   sinc  Lx sin  e 
 2

 2

Lx
2
Ly
j k x sin  a
2
j k y sin  e
rect
y
e
dy 
(
)
L
 y
dx 

Ly
2
Lx
k
sin  a  
2
sin  a   a 
2


k Lx Lx
Ly
k
sin  e  
2
sin  e   e 

2

k Ly Ly
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Fascio di antenna
Lx
Apertura approx. di antenna


Ly
L
e 
a 


Ly
La
Esempio
e 
a 

Ly

Lx

0.031
 0.1722 (rad )  9.87
0.18

0.031
 0.01722 (rad )  0.987
1.8
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Antenne a riflettore parabolico
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Antenne paraboliche a microonde
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Guadagno di Antenne ad apertura
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Pattern di radiazione di antenna
• potenza o intensità di radiazione in funzione delle coordinate angolari (in genere due);
•Apertura del fascio in azimuth A e in elevazione A: ampiezza dell’intervallo angolare
che corrisponde ad una diminuzione di 3dB (metà potenza) della direttività o del guadagno
rispetto alla direzione di max (Boresight) nel piano azimutale (A/L: L dim. antenna in
azimuth) e di elevazione (A /L: L dim. antenna elevazione).
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Radar e Link Budget - 24
Esempi di pattern di radiazione
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Radar e Link Budget - 25
Radar d’immagine
OBIETTIVO: ottenere immagini (mappe 2D) radar di zone/bersagli di interesse.
• Immagine radar è una mappa bidimensionale in livelli di grigio (livelli di potenza);
• Ciascun pixel/cella di risoluzione dell’immagine radar ha una intensità proporzionale
alla radar cross section degli scatteratori contenuti nel pixel/cella in considerazione;
• Cella di risoluzione definita dal potere risolutore nelle due direzioni range (slant o
ground) e cross-range (azimuth).
SAR: Synthetic Aperture Radar
(Radar ad Apertura Sintetica) 
tipo di radar di immagine
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Radar e Link Budget - 26
Geometria di osservazione del sistema SAR
•Antenna SAR su piattaforma
mobile (aereo-satellite);
•La piattaforma segue una traiettoria
parallela alla superficie terrestre;
•L’antenna SAR guarda di lato (sidelooking) ed illumina una striscia di
supeficie (modalità stripmap);
Direzione
slant-range
•Sono trasmesse forme d’onda a
larga banda: ciascun punto è
illuminato da una sequenza di
impulsi nel tempo in cui permane
nel fascio d’antenna.
Direzione
ground-range
Esempio:
osservazione da satellite
Direzione
cross-range
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Radar e Link Budget - 27
Focalizzazione SAR
L’elaborazione azimutale è detta focalizzazione SAR,
il coefficiente del termine di fase quadratico, , parametro di focalizzazione
x
R(x)
h
R0
- la focalizzazione SAR è equivalente alla sintesi di una antenna larga Ds
dalla elaborazione coerente degli impulsi di ritorno da un dato scatteratore visto
durante il moto del fascio.
- Il moto della piattaforma non è fondamentale,
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Radar e Link Budget - 28
Radar: Esempio – Envisat (I)
Satellite
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Radar e Link Budget - 29
Radar: Esempio – Envisat (II)
ASAR: Advanced Synthetic
Aperture Radar
ASARAntenna
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Global monitoring:
VV o HH, 1000 m resolution, 405 Km swath width
Wide Swath:
VV o HH, 150 m resolution, 405 Km swath width
Image
VV o HH, <30 m resolution, fino a 100 Km swath width
Alternating Polarization:
VV o VH o HH/HV, 30 m resolution, 100 Km swath width
Wave
VV o HH, <10 m resolution, 55 Km fino a 1010 Km
Radar e Link Budget - 30
Radar: Esempio – Envisat (III)
ASAR
images
ASAR - Brazil
ASAR -Mare del Nord
21 Agosto 2002
ASAR- Hurricane Isidore
21 Settembre 2002
ASAR-Penisola Antartica
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Radar e Link Budget - 31
Equazione radar (I)
Costruzione dell’equazione radar
a) radarbersaglio a distanza R con antenna direttiva:
Pt G ( , )
p t ( R,  , ) 
4R 2
pt (R,,) : densità di potenza a distanza R in direzione
(,).
Pt : potenza irradiata dall’antenna (potenza di picco).
G (,) : guadagno d’antenna in direzione (,).
b) potenza intercettata dal bersaglio con Radar Cross Section e reirradiata
isotropicamente:
Pt G ( , )
pt ( R,  , ) 

2
4R
pt (R,,) : densità di potenza a distanza R in
direzione (,).
Pt : potenza irradiata dall’antenna (potenza di
picco).
G(,) : guadagno d’antenna in direzione (,).
 : Radar Cross Section (RCS) del bersaglio.
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Radar e Link Budget - 32
Equazione radar (II)
c) bersaglio a distanza Rradar:
p r ( R,  , ) 
Pt G ( , ) 
4R 2 4R 2
pr (R,,) : densità di potenza al radar dalla distanza R in
direzione (,).
Pt : potenza irradiata dall’antenna (potenza di picco).
G(,) : guadagno d’antenna in direzione (,).
 : radar cross section bersaglio.
d) potenza intercettata dall’antenna:
PtG(,) 
A (,)
Pr (R,,) 
2
2 e
4R 4R
Pr(R,,) : potenza al radar dalla distanza R in direzione
(,).
Pt : potenza irradiata dall’antenna (potenza di picco).
G(,) : guadagno d’antenna in direzione (,).
 : radar cross section bersaglio.
Ae(,) : area efficace d’antenna in direzione (,).
•La portata radar Rmax (maximum radar range) è la distanza oltre la quale il bersaglio non può essere
rivelato: questa condizione si verifica quando l’eco ricevuta ha potenza pari al minimo livello rivelabile
(Pr=Smin).
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Radar e Link Budget - 33
Equazione radar (III)
Guadagno:
Area
equivalente:
G  Ae 
4
2
Ae  G 
4
2
Ae    Ag
G    Ag 
4
2
PtG (,) 
Pr (R,,) 
3 4
(4) R
2
2
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Radar e Link Budget - 34
Portata radar
• Il segnale ricevuto è costituito dalla somma del segnale utile (eco dal bersaglio di
interesse) e dal rumore termico del ricevitore (sempre presente: trascurati al
momento disturbi provenienti dall’esterno)
RAPPORTO SEGNALERUMORE
Pn: potenza rumore rx riportata in antenna;
2 2

P
G
S
P
  r
t
  
3 4
 N r Pn 4 R kT0BF
k: costante di Boltzmann;
Pn  kT0 BF
T0: 290K;
B: banda del ricevitore;
F: figura di rumore del ricevitore;
• La portata radar Rmax può essere definita in funzione del minimo rapporto S/N, (S/N)min, che
consente un’opportuna rivelzione:
14

 PORTATA RADAR
Pt G  
Rmax  
3






kT
BF

S
N
4


0
min 
2
2
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Radar e Link Budget - 35