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mercoledì 14 novembre 2012

Come Funziona Un Radar

Un RADAR è composto essenzialmente da quattro componenti: trasmettitore, ricevitore, duplexer e antenna.
Il TRASMETTITORE genera l'impulso a radio frequenza (RF) e alta potenza che verrà trasmesso.
Il DUPLEXER è il dispositivo che fa passare la potenza in uscita dal trasmettitore verso l'antenna, isolando allo stesso tempo il ricevitore, e quindi, durante la ricezione, fa passare il segnale dell'eco di ritorno verso il ricevitore.
L'ANTENNA trasmette l'impulso RF generato dal trasmettitore e riceve il segnale dell'eco di ritorno e, inoltre, ruota sui 360° per poter avere la posizione sul piano dei bersagli.
Il RICEVITORE è diviso in due parti: la prima riceve il segnale dell'eco a radio frequenza quindi lo converte in un segnale analogico video che verrà convertito in un segnale digitale per poter essere elaborato dalla seconda parte dove verranno riconosciuti i bersagli utili.
A questo punto vediamo come funziona un RADAR in maniera più approfondita cominciando dal TRASMETTITORE.


TRASMETTITORE
Il trasmettitore emette un impulso a radiofrequenza di potenza molto elevata e di breve durata.
La potenza elevata è necessaria per poter avere un segnale dell'eco di ritorno di sufficiente potenza da essere rilevato dal ricevitore, questo perchè la potenza di ritorno dal bersaglio risulta essere molto piccola a causa della distanza percorsa dal segnale (anche varie centinaia di chilometri tra l'andata e il ritorno) e anche perchè nonostante il fascio trasmesso dall'antenna sia molto stretto in angolo, lo stesso fascio deve essere molto largo in altezza per l'ovvio motivo di dover vedere anche gli aerei che volano a quote alte, però questa maggiore larghezza fa disperdere un un'area più grande la potenza trasmessa
Ecco spigati i vari motivi per cui il segnale dell'eco di ritorno risulta essere una percentuale infinitesima (molto, molto, molto piccola) rispetto alla potenza trasmessa, e di conseguenza la necessità di trasmettere potenze molto elevate.
Invece la breve durata dell'impulso è indispensabile per ottenere una buona risoluzione. Per risoluzione si intende la distanza minima tra due bersagli per poterli distinguere e non vedere, sullo schermo RADAR, una sola traccia.
Questa risoluzione dipende direttamente dalla durata dell'impulso trasmesso. Sapendo che la velocità della luce è di 300.000 chilometri al secondo, anzi leggermente meno, si ricava che in un milionesimo di secondo la luce, quindi anche l'impulso trasmesso, percorre 300 metri. Considerando che si deve tener conto del tempo di andata e ritorno del segnale si ricava che in un milionesimo di secondo (si scrive 1µS e si legge un microsecondo) la distanza misurata sullo schermo è di 150 mt.
Quindi in un RADAR che trasmette un impulso di 1µS la minima risoluzione risulta essere di 150 mt.
Per questi motivi, sopratutto per l'elevata potenza di trasmissione, ci si trova costretti ad utilizzare, nella costruzione dei trasmettitori RADAR, dei componenti particolari come il MAGNETRON di cui ho già parlato in precedenza.
Di norma tutti i trasmettitori prelevano in segnale generato da un oscillatore e dopo varie amplificazioni, mediante un ultimo stadio finale inviano il segnale da trasmettere in antenna. Il MAGNETRON ha la particolarità di essere sia lo stadio finale sia l'oscillatore in quanto il MAGNETRON stesso genera il segnale da trasmettere.
Oltre al MAGNETRON esistono anche altre valvole che vengono utilizzate come stadio finale, queste valvole sono chiamate una "KLYSTRON" e l'altra "Tubo ad onde progressive" in italiano, ed in inglese TWT (Traveling-Wave Tube). Queste valvole amplificano soltanto il segnale da trasmettere, quindi hanno bisogno di ulteriori circuiti oscillatori e preamplificatori.
Per quanto riguarda il MAGNETRON può pesare svariati chili, mentre il KLYSTRON e il TWT possono pesare vari centinaia di chili tanto da prevedere, nella progettazione del trasmettitore, la presenza di paranchi per il sollevamento.
Per far funzionare queste valvole è necessario alimentarle con voltaggi molto elevati, si parla di tensioni dai 10.000-30.000 volt fino alle centinaia di migliaia di volt. Quindi si capisce benissimo gli eventuali pericoli a cui va incontro chi deve lavorarci.
Grazie al miglioramento delle tecnologie nella costruzione dei componenti a stato solido i RADAR moderni, che non necessitano di potenze molto elevate, montano dei trasmettitori completamente costruiti con componenti a stato solido. Dato che un solo aplificatore di questo tipo non serebbe comunque sufficente a generare la potenza necessaria, vengono montati numerosi amplificatori uguali collegati in modo tale da sommare le loro uscite per ottenere l'alta potenza desiderata e, inoltre, per compensare la mininore potenza rispetto a quella ottenibile con le valvole, si utilizzano impulsi di trasmissione molto lunghi e creati in modo tale da poter venire compressi alla ricezione, per non peggiorare la risoluzione del RADAR.
L'utilizzo di trasmettitori a stato solido hanno il pregio di lavorare a basse tensioni ed inoltre, nel caso di rottura di un amplificatore l'unica conseguenza serebbe la diminuzione della potenza trasmessa e non il completo spegnimento come nel caso dei trasmettitori costruiti con MAGNETRON o le altre valvole.
A questo punto sappiamo come viene generato l'impulso RADAR.


ANTENNA
L'impulso ad alta frequenza generato dal trasmettitore viene inviato attraverso il DUPLEXER all'antenna tramite delle guida d'onda.
Dato che viene usata la stessa antenna sia per trasmettere che per ricevere è necessario l'uso del DUPLEXER che è, praticamente, un "deviatore" a radiofrequenza. Il suo scopo fondamentale è quello di proteggere il ricevitore durante la trasmissione dell'impuso a radio frequenza, visto che questo impulso si aggira dalle decine di migliaia di watt fino alle decine di milioni di watt (da circa 20Kw fino a 10Mw per chi capisce le sigle), se entrasse nel ricevitore anche solo una piccola percentuale del segnale trasmesso, i vari amplificatori del ricevitore verrebbero immediatamente distrutti.
Quindi, il DUPLEXER isola completamente in ricevitore durante la trasmissione.
Questo dispositivo è costruito, nei RADAR attuali, con dei componenti a stato solido ed alta velocità di commutazione (diodi PIN), che cortocicuitano il segnale in arrivo al ricevitore durante la trasmissione del'impulso RF. Durante il periodo di ricezione i diodi PIN vengono disalimentati in modo da far passare, senza ostacoli, il segnale da ricevere.
Oltre ai diodi PIN, come ulteriore protezione viene inserito prima di arrivare al ricevitore dei dispositivi detti TR. Questo dispositivo è composto da delle ampolle di vetro con all'interno un gas a bassissima pressione che viene mantenuto in uno stato di ionizzazione grazie a degli elettrodi ricoperti con uno strato di materiale radioattivo. Questo gas ionizzato provoca, nel caso di passaggio di un segnale RF troppo elevato, delle scariche elettriche tra i due elettrodi. Queste scariche mettono in cortocircuito la linea di ingresso, e quindi impedisce il passaggio, fino a che il segnale RF scende a livelli accettabili.
Questa ulteriore protezione e consigliabile perchè i diodi PIN proteggono il ricevitore soltanto durante la trasmissione, e quindi se arrivasse un segnale RF molto elevato, durante il periodo di ricezione, potrebbe venire danneggiato il ricevitore.
Finalmente il segnale trasmesso arriva all'antenna.
La forma dell'antenna di un RADAR è molto diversa secondo lo scopo a cui è utilizzato il RADAR in esame. Nei RADAR di ricerca, quelli, per intendeci, usati dai controllori di volo, ha la forma di una parabola allungata orrizzontalmente e stretta verticalmente (vedi immagine precedente), questa forma è dovuta dalla necessità di creare un fascio molto stretto in orizzontale ma largo in verticale, come descritto in figura.
Altre antenne sono di forma rettangolare e perfettamente piatta, questo secondo tipo è usato di norma su RADAR di ricerca militari (se vedete una nave militare, molto probabilmente vedrete installate antenne di questo tipo), e permette di sapere anche la quota del bersaglio.
Invece i RADAR metereologici, usati per vedere la posizione e l'intensità della pioggia, hanno antenne molto simili alle parabole utilizzate per la ricezione della TV satellitare.
Nonostante le diverse forme tutte le antenne montate in un qualsiasi tipo di RADAR hanno in comune la grande direttività, questo per motivi sia di sensibilità, più direttiva è e meglio riceve, sia per migliorare la risoluzione angolare del RADAR, altrimenti, se l'antenna fosse poco direttiva, il risultato sullo schermo sarebbe una traccia molto estesa in angolo tanto da non capire esattamente dove si trovi l'aereo.
Non dobbiamo anche dimenticare che l'antenna di un RADAR deve ruotare. Questa rotazione porta vari problemi per il passaggio del segnare RF trasmesso e ricevuto tanto che, nei primi RADAR, l'operatore saliva dietro l'antenna e ruotava con essa. É vero che le prime antenne non ruotavano continuamente sui 360° ma venivano posizionate sull'angolo dove interessava, ma comunque, per ruotare assieme all'antenna e contemporaneamente controllare lo schermo radar dovevano avere uno stomaco molto robusto. Per trasportare il segnale RF dalla parte fissa a quella in rotazione dell'antenna si utilizza un dispositivo detto GIUNTO ROTANTE.
Il GIUNTO ROTANTE è un dispositivo composto da varie guida d'onda di forma rotonda poste concentricamente una dentro l'altra per far passare i diversi segnali RF che vanno all'antenna.


RICEVITORE
A questo punto siamo arrivati al ricevitore.
Il ricevitore di un RADAR è di tipo a supereterodina, è una parola un pò difficile, ma in realtà, tutti i ricevitori radio da noi usati normalmente, walkmen, autoradio, televisori, sono a supereterodina.
Come funziona un ricevitore a supereterodina ?
Un ricevitore di questo tipo, il cui schema di principio si può vedere in figura, sfrutta l'effetto che si ha quando si fanno battere due segnali RF di frequenza diversa. In questo caso per battere significa mettere insieme, miscelare questi due segnali.
Mediante questo battimento si ottengono quattro segnali RF di frequenza diversa: due segnali hanno la frequenza dei segnali originali, mentre gli altri due avranno come frequenza, uno la somma, e l'altro la differenza.
Come esempio poniamo di dover ricevere un segnale con la frequenza di 1000Mhz e di generare un secondo segnale, questa volta di 1030MHz, mediante un oscillatore, chiamato oscillatore locale. Facendo battere questi due segnali tra loro, all'interno del mixer, otterremmo le seguenti frequenze: 1000Mhz, 1030Mhz, 2030Mhz e 30Mhz.
I segnali ottenuti in questo modo mantengono, a parte la frequenza, tutte le caratteristiche dei segnali originali. In uscita dal mixer si mettono dei filtri per prelevare solo la frequenza che interessa. Nei normali ricevitori radio si preleva il segnale differenza, nell'esempio precedente, 30Mhz. In questo modo si ottiene quello che si chiama conversione di frequenza.
Con questo sistema si realizza la sintonia del ricevitore semplicemente variando la frequenza dell'oscillatore locale, visto che la frequenza in uscita sarà sempre 30MHz, la frequenza sulla quale sarà sintonizzato il ricevitore risulterà essere uguale alla frequenza dell'oscillatore locale meno 30MHz.
Il segnale così ottenuto è chiamato media frequenza.
La descrizione appena letta, vale anche per le normali radio e TV di uso domestico. Anche se, in questo caso, sono presenti dei dispositivi per poter sintonizzare il ricevitore, sulla stazione radio o TV desiderata, nel modo più veloce e semplice possibile.
In un RADAR, invece, non c'è bisogno di fare zapping, ma è molto importante avere una altissima sensibilità e precisione nella sintonia.
Nei sistemi più moderni vengono usate due conversioni di frequenza, questo per ottenere una maggiore selettività.
A questo punto il segnale a frequenza intermedia viene rivelato. Per rivelazione si intende estrarre le informazioni utili presenti nel segnale ricevuto.
Nei normali ricevitori radio le informazioni, musica, immagini televisive, pubblicità (purtoppo) e molto altro, vengono inserite nel segnale a radiofrequenza mediante la modulazione dello stesso.
La modulazione viene eseguita variando uno dei parametri del segnale RF, l'ampiezza, nel caso di modulazione di ampiezza (AM), oppure la frequenza, nel caso di modulazione di frequenza (FM). In questo modo le informazioni vengono trasportate dal segnale RF che, infatti, viene chiamato portante.
Da tutto questo si ricava che in uscita dai circuiti che eseguono la rivelazione del segnale si avrà un segnale elettrico che contiene le informazioni che erano state inserite, mediante la modulazione, nel segnale RF.
Nei RADAR, invece, il segnale RF non viene modulato, almeno non nel senso che è stato appena detto. La modulazione di un segnale RADAR è di tipo ad impulsi, perchè il segnale RF non è trasmesso in maniera continua, come per le normali trasmissioni radio, ma viene trasmesso un singolo impulso come è stato già detto in "cosè il RADAR".
Quindi un ricevitore RADAR rileva solo la presenza del segnale RF, ed essendo questo segnale l'eco di ritorno di un bersaglio va da sè che in uscita dal rivelatore sarà presente un segnale elettrico che indicherà la presenza di un bersaglio oppure l'assenza, nel caso non esca nessun segnale.
Oltre ad indicare la presenza del bersaglio, il segnale ricevuto contiene anche l'informazione della sua esatta distanza, che non è solo data dal tempo di ritorno del segnale, come spiegato in precedenza, ma anche dalla sua fase perchè, secondo la distanza del bersaglio, il segnale dell'eco ritorna al ricevitore con una fase leggermente diversa rispetto quella trasmessa. Questa differenza verrà in seguito sfruttata per distinguere i bersagli fissi da quelli in movimento.
Quindi per poter utilizzare questa differenza di fase, si esegue la rivelazione del segnale mendiante un circuito chiamato rivelatore di fase.
Nel rivelatore di fase viene fatto battere il segnale ricevuto a frequenza intermedia con il segnale generato da un oscillatore locale particolare chiamato COHO. Il COHO (COHerent Oscillator - Oscillatore Coerente) genera un segnale della stessa frequenza della media frequenza e con fase uguale al segnale trasmesso.
Il risultato che si ottiene dal battimento di questi due segnali all'interno del rivelatore di fase sarà, diversamente da quello visto per la conversione di frequenza, un segnale la cui ampiezza dipenderà direttamente dalla differenza di fase tra il segnale trasmesso e quello ricevuto.
A questo punto, il segnale così ottenuto, verrà mandato ad un convertitore analogico/digitale dove in segnale analogico sarà convertito in dati digitali per eseguire l'elaborazione per estrarre i segnali dei bersagli che interessano, aerei, da quelli che non interessano, montagne campanili e molto altro.


DIFFERENZA TRA RADAR E UN BANALE TRASMETTITORE RADIO
Siamo finalmente a quella parte che distingue un RADAR da un qualsiasi altro ricevitore radio, l'M.T.I.
L'M.T.I. vuol dire Moving Target Indicator(indicatore di bersagli in movimento). Come dice il nome i circuiti che compongono l'MTI hanno lo scopo di filtrare tutti i bersagli in movimento da quelli fermi utilizzando la differenza di fase del segnale ricevuto, come spiegato in precedenza.
Per capire come lavora l'MTI dobbiamo ritornare un pò indietro. Precedentemente è stato detto che un RADAR trasmette un impulso a radio frequenza e quindi rimane in ricezione per ricevere gli echi di ritorno del segnale trasmesso generati dai bersagli, questo periodo di ricezione è chiamato sweep. Gli sweeps la cui durata nel tempo dà la portata del RADAR, sono ripetuti continuamente durante la rotazione dell'antenna. Una singola rotazione completa di 360º è chiamata scan.
Durante la rotazione dell'antenna, gli eventuali bersagli, vengono colpiti da vari impulsi e quindi si avrà la ricezione del loro eco su diversi sweeps. Il numero di questi sweeps dipende dalla velocità di rotazione dell'antenna, dalla larghezza del suo fascio e della durata di ogni sweep. Questo numero è chiamato hits per scan.
Nella spiegazione del ricevitore è stato detto che il segnale di ritorno di un bersaglio ha una fase leggermente diversa da quella trasmessa e che questa differenza dipende dalla distanza del bersaglio, per dare un ordine di grandezza di questa distanza basti dire che avendo una frequenza di trasmissione di 1000MHz, la cui lunghezza d'onda è di 30 cm., basta uno spostamento di 7,5 cm. per ottenere una variazione nella fase del segnale ricevuto di 45°.
Quindi un bersaglio in movimento genererà, ad ogni sweeps, un eco di ritorno con una fase un pò diversa dalla fase dello sweep precedente perchè, essendo in movimento, nel tempo intercorso tra uno sweep e l'altro si sarà spostato e quindi la sua distanza risulta essere diversa.
A questo punto si può spiegare il principio di funzionamento dell'MTI.
Per cancellare un bersaglio fisso e far passare un bersaglio in movimento, si usa un circuito chiamato "CANCELLATORE". Questo circuito, il cui schema di principio è mostrato in figura, è composto da tre elementi: un sommatore, una linea di ritardo, e un invertitore.
Il segnale ricevuto e rivelato in fase, viene inviato al cancellatore entrando sia in uno dei due ingressi del sommatore, che all'ingresso della linea di ritardo. La linea di ritardo ritarderà il segnale esattamente dello stesso tempo della durata di uno sweep, inoltre, in uscita dalla linea di ritardo, il segnale verrà invertito di segno (se il suo valore era di 10 diventerà -10). Quindi nei due ingressi del sommatore avremmo su uno il segnale diretto, mentre sull'altro il segnale generato dallo stesso bersaglio ma dello sweep precedente e invertito di segno.
In questo modo se un bersaglio genera un eco di risposta con valore uguale su due sweep, come succede per i bersagli fissi, in uscita questo segnale verrà cancellato perchè sommando due valori uguali ma di segno opposto il risultato sarà zero; invece un bersaglio in movimento genera un eco di risposta di valore diverso su due sweep e quindi in uscita si avrà un valore maggiore di zero.
Se al primo sweep non avviene nessuna cancellazione, perchè il segnale che transita dalla linea di ritardo non è ancora arrivato, quindi, ai due ingressi del sommatore, sono presenti su uno il segnale in arrivo mentre sull'altro non è ancora presente nessun segnale, perciò sommando il segnale in ingresso con zero non si avrà nessuna modifica e il segnale dei due bersagli arriveà all'uscita inalterato.
Questo "errore" non provoca nessun effetto visibile perchè ha la durata di un solo sweep, quindi risulta essere brevissimo.
Se invece nello sweep si nota che il livello del persaglio fisso rimane inalterato mentre quello mobile risulta essere minore dello sweep precedente, quindi in uscita dal cancellatore verrà eliminato il bersaglio fisso, perchè viene sommato con se stesso ma invertito di segno (per esempio -10 + 10 = 0), mentre il bersaglio mobile non viene cancellato perchè risulta essere diverso dallo sweep precedente (-8 + 5 = -3).
In questo caso si può notare che in uscita il segnale risulta essere negativo, questo è normale perchè il rivelatore di fase del ricevitore genera in uscita un segnale che può essere negativo o positivo secondo il valore della fase del segnale ricevuto, quindi si può avere un segnale negativo anche in ingresso al cancellatore, vedi 3° sweep. Ci penseranno dei circuiti sucessivi al cancellatore a rendere il segnale sempre di segno positivo.
Se il segnale in uscita, nonostante sia negativo, risulta essere più grande anche del segnale in ingresso, bè questo fatto dipende dal valore dei segnali in ingresso al sommatore perchè se su due sweeps consecutivi i segnali risultano avere lo stesso segno si avrà una sottrazione a causa dell'inversione di segno provocata dall'invertitore, quindi il segnale in uscita avrà un valore minore di quello in ingresso, il contrario accade nel caso i segnali dei due sweeps sucessivi siano di segno opposto.
Questo effetto, chiamato "fase cieca", risulta essere deleterio perchè potrebbe portare, nel peggior dei casi, alla perdita della ricezione dei bersagli, comunque esiste un sistema per eliminare questo inconveniente che spiegherò in seguito.
Questo sistema di cancellazione ha due inconvenieti: la "fase cieca", di cui ho acennato in precedenza, e la "velocità cieca".
Per eliminare la fase cieca nella rivelazione, quindi nel ricevitore, si utilizzano due rivelatori uguali ma che eseguono la rivelazione, del segnale ricevuto, con una fase diversa di 90°, i due segnali così generati vengono quindi inviati, attraverso al solito convertitore analogico/digitale, a due diversi cancellatori.
In questo modo quando in un cancellatore il segnale viene attenuato nell'altro viene amplificato e viceversa. Per finire i due segnali in uscita sono "sommati" tra loro per ottenere di nuovo un solo segnale. Questa somma non è una semplice somma matematica ma in realtà un calcolo matematico più complesso, chiamato "estrazione di modulo".



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