24 Ottobre 2020

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Il Radar, cenni storici e caratteristiche tecniche

Il Radar è la tecnologia basata sul fenomeno della propagazione delle onde elettromagnetiche nello spazio, impiegata per la localizzazione, il riconoscimento e identificazione di obiettivi in movimento.

E’ utilizzata in maniera massiccia per il controllo del traffico aereo da parte dell’ATC al fine di evitare le collisioni, diminuire il congestionamento sulle rotte di volo e monitorare gli aeromobili durante le fasi del volo.

Schermo riportante le afterglow di un Radar per il controllo del traffico aereo

La tecnologia è stata sviluppata nella prima metà del ‘900 con lo scopo principale di evitare le collisioni tra le navi in condizioni di scarsa visibilità.

Storia

I pionieri delle onde elettromagnetiche

Heinrich Hertz alla fine dell ‘800, condusse una serie di esperimenti che provarono l’esistenza delle onde elettromagnetiche precedentemente formalizzate dalle equazioni del fisico scozzese James Clerk Maxwell.

Nel 1904, l’inventore tedesco Christian Hülsmeyer, dimostrò pubblicamente in Germania e in Olanda la possibilità di sfruttare l’eco di ritorno di un segnale elettromagnetico per evitare le collisione tra navi in mare aperto. 

Il dispositivo rudimentale che egli presentò, consisteva in un segnale elettromagnetico generato da una scintilla elettrica, irradiato da un’ antenna in direzione del bersaglio. Questo segnale, colpendo il bersaglio, generava un eco di ritorno che veniva captato da un’antenna ricevente facendo suonare una campana di avvertimento.

Schema: i segnali elettromagnetici si propagano nello spazio alla velocità della luce (299.792 km/s)

Durante dei test sul funzionamento del radiotelegrafo e delle comunicazioni senza fili condotti a Salisbury nel 1899, l’inventore Guglielmo Marconi si accorse che, parte delle onde radio emesse nello spazio circostante, venivano riflesse e tornavano alla stazione trasmittente. 

Nel 1922, presenta a New York al congresso degli ingegneri radioelettrici americani (oggi IEEE) i suoi esperimenti sulla possibilità di individuare oggetti metallici a distanza in condizioni di scarsa visibilità. Questi esperimenti furono decisivi per i progressi della tecnologia Radar negli anni a seguire.

Il Radar nella seconda guerra mondiale

Nel 1930, lo studio e l’applicazione della tecnologia Radar per l’avvistamento di navi e aerei, erano attivi in almeno otto paesi.

La maggior parte di questi Radar operavano nella banda VHF (Very High Frequency) che si attesta nello spettro elettromagnetico che va dai 30 ai 300 MHz. L’uso del VHF ha portato comunque diversi problemi caratteristici di queste frequenze:

  • La lunghezza d’onda di un segnale VHF è molto ampia riducendo perciò la precisione segnalando obiettivi indesiderati.
  • Il VHF non consente impulsi brevi e che sono quelli che determinano una maggiore precisione di rilevamento e di localizzazione.
  • Il VHF è soggetto al rumore atmosferico che limita la sensibilità del ricevitore causando disturbi.

Nonostante l’esistenza di queste limitazioni, fu comunque largamente utilizzato. Si dovette aspettare il 1939 affinché tali limitazioni venissero superate dall’utilizzo del magnetron.

All’inizio della seconda guerra mondiale, la Germania, aveva progredito ulteriormente nello sviluppo del Radar rispetto a qualsiasi altro paese. Essi impiegarono il Radar a terra e in aria per la difesa contro i bombardieri angloamericani. Il Radar fu installato su una corazzata tedesca già nel 1936. I tedeschi fermarono gli studi sul Radar alla fine del 1940 ritenendo che la guerra fosse finita.

Nel 1933 a Castel Gandolfo, Guglielmo Marconi presenta agli ufficiali delle forze armate un dispositivo Radar rudimentale, utilizzando come mezzo di test l’autoveicolo di uno degli ufficiali presenti. Gli ufficiali tuttavia non erano convinti del test di Marconi, probabilmente perché non lo compresero. Decisero quindi di investire il denaro in altri progetti della marina e di accantonare momentaneamente il Radar. Questa decisione fu tragicamente decisiva per l’Italia in guerra. Sono da ricordare gli eventi del porto di Taranto, nota come la Pearl Harbor del mediterraneo e Capo Matapan.

Nel 1935, il professor Ugo Tiberio, finalizza il lavoro iniziato di Marconi, formalizzando l’equazione del radar. Nel 1936 costruisce il primo Radar pienamente operativo.

Anche l’Unione Sovietica iniziò a lavorare sui Radar negli anni ’30. Al tempo dell’attacco tedesco nel loro paese nel giugno del 1941, i sovietici avevano in produzione un Radar per il rilevamento di aerei che operava nella banda VHF dei 75 MHz. Lo sviluppo del Radar fu interrotto dall’invasione dei tedeschi.

Alla fine del 1939, i fisici britannici dell’Università di Birmingham scoprono il magnetron. Stati Uniti e Gran Bretagna, decisi nel voler accelerare il più possibile lo sviluppo della nuova tecnologia uniscono i loro sforzi e, nel 1940, gli inglesi cedono generosamente la scoperta agli americani.

Gli Stati Uniti impiegarono la tecnologia Radar a Pearl Harbor il 7 Dicembre del 1941, senza tuttavia prevenire l’imprevedibile con le disastrose conseguenze che tutti conosciamo.

Tecnica del Radar

Radar Primario di Sorveglianza PSR

Il funzionamento del Radar si basa sul principio della riflessione: qualsiasi corpo metallico o oggetto, se investito da un’onda elettromagnetica, riflette quest’ultima generando un eco di ritorno.

Questo eco di ritorno è captato da un’antenna ricevente, misurando la velocità ed i tempi di propagazione dell’onda dal momento dell’ invio e la ricezione dell’eco di ritorno, è possibile calcolare la distanza, la posizione orizzontale e l’elevazione dell’obiettivo.

Antenna ricetrasmittente rotante di un radar primario e secondario
Radar primario e secondario

Qualche autore per semplicità fa riferimento allo stesso meccanismo naturale che i pipistrelli utilizzano per orientarsi al buio della notte ed evitare gli ostacoli nelle grotte, gli ultrasuoni.

Il Radar, acronimo di Radio Detection and Ranging, consiste in un’antenna ricetrasmittente direzionale rotante dai 6 ai 60 giri al minuto a seconda della distanza da raggiungere che emette un segnale elettromagnetico ad alta frequenza a lunghezza d’onda corta in tutte le direzioni.

Questo segnale è detto impulso ed è generato dal magnetron*. L’equazione che descrive il funzionamento e la portata del Radar è la seguente:

dove

  • Pt = potenza del trasmettitore,
  • Gt = guadagno dell’antenna del trasmettitore,
  • Ar = area equivalente di antenna del ricevitore,
  • σ = superficie equivalente dell’oggetto o funzione trasversa di scattering (RCS); nel caso generale di target in moto essa rappresenta il valor medio nel tempo essendo essa propriamente una grandezza aleatoria nel tempo (processo aleatorio) a causa della continua variazione di assetto dell’oggetto. Ne consegue che anche la potenza ricevuta Pr a rigore fluttua nel tempo in maniera aleatoria se il bersaglio cambia il suo assetto.
  • Rt = distanza del trasmettitore dall’oggetto,
  • Rr = distanza dell’oggetto dal ricevitore.
  • L = perdite di attenuazione del mezzo atmosferico, dell’antenna e della catena ricevente.

L’eco di ritorno, viene captato dall’antenna ricevente e decodificato da speciali circuiti elettronici, per poi essere adeguatamente convertito in formato digitale e riprodotto sullo schermo LCD o a tubo catodico dell’operatore del traffico aereo.

L’operatore del traffico aereo vede davanti a se su una mappa digitalizzata riportante una griglia suddivisa in settori indicante la posizione dell’aeromobile nello spazio. Lo schermo di visualizzazione si chiama PPI (Plan Position Indicator). La traccia che gli aeromobili lasciano sullo schermo dell’operatore è chiamata afterglow.

Primary Surveillance Radar - slideshare.net
Primary Surveillance Radar – slideshare.net

Le prestazioni di un Radar sono limitate da due parametri: il periodo di ripetizione degli impulsi PRI e la frequenza di ripetizione degli impulsi PRF. L’antenna che trasmette è di solito anche quella che riceve, va da se che per ricevere l’eco di ritorno, il trasmettitore deve essere disattivato ed entrare in modalità ricezione.

E’ per questo motivo che la portata del Radar è determinata dalla frequenza di ripetizione degli impulsi: tanto maggiore è la distanza dell’oggetto bersaglio, minore deve essere la PRF, è quindi necessario attendere il tempo di ricezione del segnale di ritorno prima di emetterne un altro e questo tempo è tanto maggiore quanto è la distanza del bersaglio da colpire.

Radar Secondario di Sorveglianza SSR

Il Radar Secondario di Sorveglianza impiegato nel controllo del traffico aereo, è identificato dall’acronimo PSR e si basa sul concetto di funzionamento di interrogazione/risposta.

L’impulso emesso dal Radar secondario, a differenza del primario è selettivo e discriminante, contiene infatti uno specifico messaggio, questo messaggio è un interrogazione. Il dispositivo installato bordo degli aerei che serve per tradurre l’interrogazione del Radar è il transponder.

Il Radar secondario emette continuamente queste interrogazioni costitute da una coppia di impulsi con frequenza di 1030 MHz e spaziati di 8 microsecondi e 21 microsecondi. Queste due spaziature costituiscono il modo di interrogazione del Radar, rispettivamente modo A e modo C.

Secondary Surveillance Radar - slideshare.net
Secondary Surveillance Radar – slideshare.net

Il transponder in modo A risponde all’interrogazione sull’identificativo dell’aeromobile, mentre il modo C risponde all’interrogazione sulla quota dell’aeromobile.

Il transponder installato sull’aeromobile quindi, decodifica il messaggio di interrogazione e comincia a rispondere alle interrogazioni del Radar emettendo una serie di impulsi con frequenza di 1090 MHz contenenti le informazioni sull’identificativo e sulla quota di volo.

I modi di interrogazione del transponder

  • Modo A: risponde alla richiesta dell’identificativo dell’aeromobile
  • Modo C: risponde alla richiesta dell’altitudine dell’aeromobile
  • Modo S: consente lo scambio di messaggi ad interrogazioni multiple in codice binario (data link) terra-bordo e per il TCAS.

Recenti sviluppi dei Radar

L’ultima tecnologia in fase di sviluppo e implementazione nei sistemi per il controllo del traffico aereo è lo ADS-B acronimo di Automatic Dependant Surveillance Broadcast. Come il nome suggerisce le informazioni di volo dell’aeromobile vengono automaticamente inoltrate al controllo del traffico aereo e agli altri aeromobili in rotta (broadcast – uno a tutti) senza la necessità che vengano emesse interrogazioni da terra e risposte dal velivolo e da terra ad altri velivoli in rotta, riducendo drasticamente la ridondanza di informazioni.

Un esempio recente è l’installazione del ricevitore ADS-B a bordo del Viking Air CL 415 (meglio noti come Cadanair) realizzata dalla Babcock Italia.

**Il magnetron si trova nel più comune degli elettrodomestici, il forno a microonde.


Riferimenti:

https://www.britannica.com/technology/radar/History-of-radar

http://italyunzipped.blogspot.com/2018/08/guglielmo-marconi-father-of-radar.html

https://www.leradiodisophie.it/Download/Marconi-Mussolini.pdf

http://www.trentoincina.it/mostrapost.php?id=388


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