ràdar
Indice
Descrizione generale
sm. inv. [sec. XX; sigla dell'inglese RAdio Detecting And Ranging, radio-rivelatore e misuratore di distanza]. Apparecchiatura che consente rilevamenti della posizione di un oggetto mediante il confronto fra un segnale di riferimento emesso da un trasmettitore e quello riflesso o ritrasmesso dall'oggetto di cui si deve determinare la posizione. Allo scopo si utilizzano onde elettromagnetiche con frequenza normalmente compresa fra qualche centinaio di megahertz e qualche decina di gigahertz; corrispondentemente le lunghezze d'onda sono comprese fra qualche metro e qualche millimetro; nelle tecniche OTH (Over The Horizon) sono usate anche frequenze della banda H (3-30 MHz). Le bande radar sono indicate con lettere, ma tale notazione non è ufficiale. Secondo quanto stabilito dal Comité Consultatif International Radio (CCIR) nel 1953, le bande di frequenza delle onde elettromagnetiche sono invece contrassegnate da un numero determinato, in modo che la banda numero n si estenda da 3·10–1 a 3·10 Hz. Con questa notazione le bande di interesse per il radar sono quelle contrassegnate con i numeri 8, 9, 10, 11 (rispettivi limiti di frequenza in Hz: 3·107÷3·108; 3·108÷3·109; 3·109÷3·1010; 3·1010÷3·1011), le bande 9, 10, 11 costituiscono la cosiddetta regione spettrale delle microonde.
Radar su una nave.
De Agostini Picture Library
Cenni storici
La rivelazione di ostacoli basata sugli effetti prodotti dalla riflessione di onde appositamente emesse è un fenomeno che esiste anche in natura; infatti delfini e pipistrelli emettono ultrasuoni modulati in ampiezza e frequenza per rivelare la presenza di ostacoli sulla loro rotta. Le esperienze di H. R. Hertz, nel 1887, avevano messo in evidenza fra l'altro che le onde elettromagnetiche potevano essere riflesse da parte di corpi conduttori, ma solo nel 1900 N. Tesla suggerì di utilizzare tali onde per determinare la posizione relativa e la velocità di un oggetto in moto. Nel 1903 il tedesco C. Hülsmeyer eseguì esperienze con onde radio riflesse da navi e nel 1904 ottenne un brevetto per un dispositivo rivelatore di ostacoli utilizzante un'onda radio continua: la portata era di qualche chilometro. Nel 1922 G. Marconi mise in rilievo la possibilità di utilizzare le onde corte per la rivelazione radio. Nello stesso anno A. H. Taylor e L. C. Young, del Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti, riuscirono a rivelare una nave di legno usando un radar a emissione continua con lunghezza d'onda di 5 m. Nei primi radar la rivelazione era ottenuta per effetto dell'interferenza fra il segnale ricevuto direttamente dal trasmettitore e quello, slittato in frequenza per effetto Doppler, riflesso dall'oggetto in movimento. Apparecchi di questo tipo potevano servire solo a rivelare la presenza di oggetti, ma non davano informazioni sulla loro posizione. Le esperienze degli inglesi E. V. Appleton e H. A. F. Barnett sulla capacità di riflettere radioonde da parte dell'atmosfera portarono gli statunitensi G. Breit e M. A. Tuve, nel 1925, a effettuare la misura dell'altezza della ionosfera mediante impulsi elettromagnetici. Nel 1930 L. A. Hyland, del NRL, osservò casualmente che si verificava un aumento del segnale ricevuto da un apparato a terra quando degli aerei attraversavano il fascio di onde elettromagnetiche a 33 MHz emesso da un trasmettitore distante qualche chilometro. Dopo questa scoperta il NRL proseguì le ricerche: nel 1932 venne dimostrato che i sistemi a interferenza d'onda potevano rivelare aerei distanti 50 miglia dal trasmettitore; nel 1934 fu rilasciato a Hyland, A. H. Taylor e L. C. Young un brevetto per il sistema di rivelazione di oggetti per mezzo di onde radio; nello stesso anno venne pubblicata la descrizione di un radar a emissione continua a interferenza d'onda alla frequenza di 60 MHz. Dopo il 1935 in Gran Bretagna, Francia, Germania e USA vennero intensificate, indipendentemente (per motivi militari), le ricerche nel campo della rivelazione mediante onde elettromagnetiche. I primi risultati positivi si ebbero negli USA, nel 1936, dove fu realizzato un radar a 28,3 MHz e durata di impulso di 5μs; in pochi mesi la portata di questo radar venne estesa dalle 2 miglia e mezzo iniziali a 25 miglia. Nello stesso anno fu realizzato anche un modello a 200 MHz dotato di sistema duplicatore (duplexer) che permetteva di utilizzare la stessa antenna per la trasmissione e la ricezione. Lo sviluppo di tubi elettronici ad alta potenza permise di realizzare nel 1938 un modello perfezionato di radar a 200 MHz, denominato XAF, con potenza di 6 kW e portata di 50 miglia. Nel 1939 fu ordinata la realizzazione industriale della versione CXAM che fu poi adottata dalle unità della flotta statunitense a partire dal 1941. Il primo radar a impulsi per il controllo delle batterie antiaeree fu realizzato nel 1938 con la sigla SCR 268; era caratterizzato da un'elevata precisione nella misura delle distanze e da una scarsa precisione angolare; affiancato da un sistema ottico per la stima degli angoli, esso costituì l'apparato standard per il controllo del tiro fino al 1944, quando fu sostituito dal radar a microonde SCR 584, che poteva controllare una batteria antiaerea senza bisogno di ausilio ottico. In Gran Bretagna i primi studi furono affidati a R. Watson-Watt e si raggiunsero risultati positivi sia con i sistemi a interferenza d'onda sia con quelli a impulsi: nel 1936 la portata dei radar toccava già le 90 miglia, mentre le frequenze di funzionamento erano di 25 MHz. Una serie di stazioni radar a 25 MHz venne sperimentata con successo nel 1937 e nel 1939 fu sviluppato un radar a 200 MHz per intercettamento aereo che venne sfruttato anche per la localizzazione di navi e di sommergibili. I primi scambi di informazioni fra tecnici americani e inglesi, nel 1940, portarono all'adozione del magnetron (realizzato dagli Inglesi) con il quale si poterono costruire i perfezionati radar a microonde. Alla fine della seconda guerra mondiale si ebbe una stasi nello sviluppo della tecnica radar; le ricerche ripresero dopo il 1950 quando le applicazioni radar cominciarono a estendersi a numerosi settori. I continui perfezionamenti tecnici riguardano l'amplificazione di potenza del trasmettitore, l'eliminazione degli echi parassiti, la stabilità di funzionamento, la maggior sensibilità dei ricevitori; notevoli progressi si sono avuti con l'introduzione prima del klystron, poi degli amplificatori parametrici e dei maser nei ricevitori radar per aumentarne la sensibilità.
Principio di funzionamento
Un'idea del funzionamento dei radar si può avere esaminando un tipico radar a impulsi, che è in grado di localizzare un oggetto attraverso la determinazione della distanza dell'oggetto stesso e della direzione della sua visuale. La distanza dell'oggetto viene ricavata misurando il tempo t impiegato da un impulso di radiofrequenza, emesso dal trasmettitore del radar, ad arrivare all'oggetto, essere riflesso da esso e ritornare al ricevitore dello stesso radar. La distanza d dell'oggetto dal radar è infatti data dal prodotto della velocità di propagazione dell'impulso di radiofrequenza (in pratica eguale alla velocità della luce nel vuoto, c=3·108 m/s) per la metà del suddetto tempo t. Si ha cioè: d=ct /2. La direzione della visuale dell'oggetto è ricavabile direttamente dall'orientamento del fascio elettromagnetico emesso dall'antenna. . Il sincronizzatore genera una successione di brevi impulsi di comando (impulsi di sincronismo) che accendono periodicamente il modulatore; questo a sua volta fa da interruttore del tubo di potenza a radiofrequenza (magnetron o klystron). Di conseguenza vengono inviati all'antenna successivi impulsi di radiofrequenza con cadenza di ripetizione comandata dal sincronizzatore. Gli impulsi di radiofrequenza, che arrivano all'antenna attraverso il duplicatore, vengono irradiati nello spazio entro un fascio la cui direzione dipende dall'orientamento dell'antenna. Se il fascio è intercettato da un oggetto, gli impulsi di radiofrequenza vengono riflessi e sono captati dalla stessa antenna come eco. Il duplicatore (duplexer) è un dispositivo che consente di utilizzare una stessa antenna radar in trasmissione e in ricezione. Gli echi captati dall'antenna sono applicati a un miscelatore che converte la radiofrequenza in una frequenza più bassa (frequenza intermedia), di valore usualmente compreso fra 15 e 90 MHz, in modo da ottenere un segnale più adatto alla successiva operazione di amplificazione; la conversione di frequenza è ottenuta attraverso il battimento della radiofrequenza con la frequenza generata da un oscillatore locale. Dopo essere stato amplificato, il segnale a frequenza intermedia viene applicato a un rivelatore che ne ricava l'inviluppo (impulso video). È questo impulso che, dopo essere stato amplificato, è usato per presentare sullo schermo di un tubo a raggi catodici (con partenza della scansione comandata dagli impulsi di sincronismo) il tempo intercorso fra l'istante di trasmissione di un impulso di radiofrequenza e l'istante in cui esso è ricevuto come eco. La presentazione visiva può essere ottenuta applicando al pennello elettronico del tubo a raggi catodici una modulazione di deflessione oppure una modulazione di intensità. Nel primo caso la presenza dell'eco è messa in evidenza da una deflessione della traccia luminosa del pennello elettronico sullo schermo del tubo; nel secondo da un forte aumento della luminosità della traccia stessa. Le due presentazioni radar più usate sono quella di tipo A (a modulazione di deflessione) e quella PPI (a modulazione di intensità). Nella presentazione di tipo A il pennello elettronico effettua, con velocità uniforme attraverso lo schermo, una scansione rettilinea orizzontale (base dei tempi) che può essere fatta partire nello stesso istante in cui è irradiato l'impulso di radiofrequenza. In queste condizioni la distanza fra l'inizio della scansione e il punto in cui il pennello elettronico viene deflesso per effetto dell'eco è determinata dal tempo impiegato dall'impulso di radiofrequenza per percorrere il tragitto radar-oggetto-radar e quindi rappresenta, in un'opportuna scala, la distanza fra il radar e l'oggetto che ha dato origine all'eco . Nella presentazione PPI (Plan Position Indicator) è applicata al pennello elettronico una scansione tale che la distanza fra il centro dello schermo e la traccia ad alta luminosità (corrispondente all'eco) rappresenti in scala la distanza fra il radar (immaginato in questo caso al centro dello schermo) e l'oggetto che ha prodotto l'eco. La direzione angolare secondo cui il pennello elettronico compie la propria scansione corrisponde, istante per istante, alla direzione del fascio elettromagnetico del radar. Si ottiene così, come su una carta, la rappresentazione delle posizioni dei diversi oggetti che producono gli echi. Si ha cioè una presentazione panoramica. § I radar MTI (Moving Target Indicator) sono radar a impulsi nei quali l'effetto Doppler viene utilizzato per distinguere gli echi dovuti a oggetti mobili (slittamento di frequenza diverso da zero) da quelli dovuti a oggetti fissi (slittamento di frequenza nullo) e sopprimere questi ultimi echi, detti clutter, sullo schermo radar. § I radar d'inseguimento sono radar nei quali un meccanismo, controllato automaticamente dai segnali d'eco, mantiene il fascio del radar puntato su un oggetto in moto rispetto al radar stesso. L'utilizzazione di più radiofrequenze migliora le prestazioni dei radar d'inseguimento ed è vantaggiosa anche nei confronti dell'effetto perturbante dovuto alle riflessioni del terreno o del mare, o per difendersi da azioni di disturbo provocate deliberatamente. Inoltre essa può essere usata per ottenere in modo semplice la scansione elettronica del fascio elettromagnetico, cioè l'inclinazione del fascio, emesso da una cortina fissa di elementi d'antenna, determinata dagli sfasamenti introdotti nell'alimentazione degli elementi stessi quando la radiofrequenza si discosta dal valore per il quale tutti gli elementi irradiano in fase. § Radar a compressione d'impulso: la precisione con cui si misura la distanza di un oggetto dal radar, e quindi la capacità di distinguere due oggetti vicini, è tanto maggiore quanto più corto è l'impulso di radiofrequenza; una riduzione della lunghezza dell'impulso comporta però, se si vuole tenere invariato il contenuto di energia, un aumento della potenza di picco da trasmettere, che potrebbe raggiungere valori proibitivi. Le esigenze contrapposte di elevata precisione e di elevata energia per impulso possono essere soddisfatte anche senza aumentare la potenza di picco, purché si vari la radiofrequenza all'interno di ogni singolo impulso. In questo senso opera il radar a compressione d'impulso, il cui trasmettitore emette impulsi relativamente lunghi (e quindi con alto contenuto di energia) modulati in frequenza, per esempio con frequenza crescente uniformemente dall'inizio alla fine di ogni impulso.
Campi d'applicazione
Il principale campo di applicazione dei radar è rappresentato dalla navigazione aerea e da quella marittima. Il radar è largamente usato per il controllo del traffico aereo in prossimità degli aeroporti e per il controllo dell'avvicinamento a terra degli aerei. A bordo sono utilizzati radioaltimetri, che determinano l'altezza dell'aereo sul suolo mediante tecniche radar, e radar meteorologici, per segnalare ai piloti zone soggette a gravi perturbazioni atmosferiche e consentire di prendere tempestivamente le opportune decisioni. Sul mare il radar è usato, a bordo dei natanti, per la navigazione con scarsa visibilità o con tempo cattivo, mentre la rivelazione di uragani e la sorveglianza della navigazione a grandi distanze sono affidate a impianti radar installati lungo le coste. Nelle applicazioni terrestri hanno avuto notevole diffusione i radar a effetto Doppler, usati da molte polizie stradali per la misura della velocità dei veicoli. Interessanti ricerche studiano l'applicazione del radar nel ritrovamento dei sepolti dalle valanghe. In campo militare il radar è usato, oltre che per la navigazione aerea e marittima, anche per la sorveglianza di potenziali bersagli nemici e per il controllo di sistemi d'arma, come i radar d'inseguimento dei sistemi di difesa aerea, i radar installati su missili, i radar AI (Airborn-Interception). L'utilizzazione del radar in campo scientifico ha aumentato notevolmente le conoscenze meteorologiche, permettendo lo studio del vento ad alta quota e la determinazione su ampio raggio delle zone di precipitazione. L'utilizzo del radar nell'esplorazione del sistema solare ha registrato straordinari successi nella definizione di una carta di Venere e nella guida di sonde interplanetarie (vedi radarastronomia). Tra le tecniche radar più moderne si hanno quelle relative al rilevamento di bersagli oltre l'orizzonte (tecniche OTH) e quelle di rilevamento topografico a visione laterale (radar a visione laterale, Side Looking Radar). Le tecniche OTH sono basate sull'uso di segnali nella banda HF (3÷30 MHz) in grado di venire riflessi dalla ionosfera. Le principali difficoltà inizialmente incontrate erano legate al problema di separare gli echi, provenienti dal bersaglio, dal rumore di fondo costituito da echi spuri di varia origine. In particolare, è stato necessario elaborare tecniche raffinatissime per il riconoscimento degli echi del mare. Le tecniche di rilevamento topografico con radar a visione laterale sono, invece, basate sull'uso di segnali nella banda delle microonde, tra 1 e 10 GHz. Le riprese, il cui risultato finale è costituito da immagini fotografiche dettagliatissime, vengono effettuate da aerei viaggianti ad alta quota e non risentono in alcun modo delle condizioni meteorologiche. Le immagini riguardano, inoltre, vastissime zone, non riproducibili con le comuni tecniche fotografiche . L'aereo con il radar vola ad altezze di 20-30 km e la lunghezza della zona che in un dato istante è illuminata dagli impulsi radar è di alcuni chilometri. Data la velocità finita dell'aereo, ogni punto riceve e reirradia decine di migliaia di impulsi prima di essere abbandonato dal fascio. Tutte le informazioni dei segnali di ritorno vengono memorizzate e confrontate con un segnale di riferimento generato nel sistema radar stesso; ne deriva un segnale di interferenza che comanda l'intensità di un pennello elettronico di un tubo a raggi catodici. Di fronte allo schermo del tubo scorre, a piccoli scatti successivi, uno per ogni impulso trasmesso, una pellicola fotografica, con velocità media proporzionale a quella dell'aereo. Viene così costruito, riga per riga, un ologramma radar in cui la scala verticale rappresenta la distanza dei punti della superficie terrestre dalla rotta dell'aereo, mentre la scala orizzontale rappresenta la distanza percorsa nel volo. Illuminando ciascun ologramma della pellicola con un fascio laser è possibile realizzare da ogni ologramma un'immagine fotografica estremamente dettagliata della zona in esame. L'alta risoluzione delle immagini così ottenute dipende dal fatto che le registrazioni dei segnali di interferenza (molte migliaia di impulsi per ogni punto della superficie) sono molto più estese dell'immagine ricostruita. Il dettaglio contenuto nell'ologramma dipende, oltre che dalla durata dell'impulso a microonde, dalla lunghezza delle registrazioni nella direzione del volo. Tale lunghezza aumenta, per effetto dell'allargamento del fascio, con l'aumentare della distanza del punto considerato dalla rotta dell'aereo. Ciò compensa la riduzione del potere risolutivo dovuto all'allargamento del fascio e così si ottiene una definizione costante per tutti i punti. Nonostante la ripresa sia laterale, il particolare sistema ottico utilizzato per la ricostruzione dell'immagine introduce in quest'ultima una correzione che la trasforma in una ripresa dall'alto. Essendo tuttavia in effetti una ripresa laterale, ciò fornisce una serie di ombre radar che mettono in evidenza tutti i rilievi del terreno.
Bibliografia
D. R. Rhodes, Introduction to Monopulse, New York, 1959; R. S. Berkowitz, Modern Radar, New York, 1965; M. I. Skolnik, Introduzione ai sistemi radar, Roma, 1972; U. Tiberio, Introduzione alla tecnica radio e radar, Milano, 1974; F. Musto, Storia della tecnologia radar, Roma, 1990.