Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul
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Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul
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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 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, ... ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale CENNI STORICI E SVILUPPO DEL RADAR Il Secondo Conflitto Mondiale 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. ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale Il Dopoguerra 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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale Gli anni '60 e '70 Catene ricetrasmittenti sufficientemente stabili capaci di consentire la rivelazione di bersagli aerei in presenza di forti echi fissi (MTI). Sistemi di inseguimento precisi e relativamente immuni ai disturbi. Prime applicazioni dell'elaborazione numerica e automatica dei dati radar. Radar meteorologici, generalmente privi delle capacità Doppler. 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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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) ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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. ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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). ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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. ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale Servizi di Sorveglianza ATC Rotta (En Route) Superficie Aeroportuale (SURF) Avvicinamento (TMA, Terminal Moving Area) ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale Servizi di sorveglianza temporanei PSR e SSR Servizi di rotta: 1 SSR Trasportabili Servizi di avvicinamento: 2 PSR + 2 SSR (*) Dati ENAV ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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) ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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). ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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) ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 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° ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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. ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale I radar della rete Meteonet e il loro raggio d'azione ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale Schema sinottico della rete METEONET In verde i nodi "master" ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale Esempio di immagine mosaicata: composizione delle mappe radar di Veneto, Emilia, Friuli, Lombardia, Trentino Alto-Adige e Piemonte Intensità di precipitazione ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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/ ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale 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 ISPRA - Roma, 29 marzo 2011 Tipi e Caratteristiche Generali dei Principali Radar Operanti sul Territorio Nazionale Grazie per… L’attenzione!!!