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Tesi etd-02212008-152235


Thesis type
Tesi di dottorato di ricerca
Author
CAPRIA, AMERIGO
email address
amerigo.capria@iet.unipi.it
URN
etd-02212008-152235
Title
Studio di tecniche innovative nei radar Over the Horizon (OTH)
Settore scientifico disciplinare
ING-INF/03
Corso di studi
TELERILEVAMENTO
Commissione
Relatore Prof. Dalle Mese, Enzo
Relatore Prof. Berizzi, Fabrizio
Parole chiave
  • OTH-R
  • ISO-MUF
  • frequency management system
  • over the horizon
Data inizio appello
13/03/2008;
Consultabilità
parziale
Data di rilascio
13/03/2048
Riassunto analitico
Esaminando le peculiarità e le criticità dei sistemi radar OTH (Over The Horizon) che operano per riflessione ionosferica, si evince ben presto che queste si discostano profondamente dalle relative caratteristiche riscontrabili nei radar a microonde. L’utilizzo di sistemi radar di questo tipo permette di coprire distanze ben oltre l’orizzonte ottico grazie al loro principio di funzionamento che sfrutta la riflessione ionosferica. Operando infatti in banda HF (i.e. 3-30 MHz) si verifica una progressiva deflessione dell’onda elettromagnetica trasmessa che, in determinate condizioni, può essere nuovamente riflessa verso la superficie terrestre. Nonostante i grandi vantaggi derivanti dall’utilizzo di questo intervallo di frequenze, emerge tuttavia un nutrito insieme di fattori critici che devono essere attentamente valutati. Determinanti sono le perdite di segnale causate dalla forte attenuazione dovuta alla propagazione in spazio libero e all’assorbimento ionosferico. Tali perdite hanno in aggiunta una marcata dipendenza dall’attività solare, la quale presenta una variabilità in funzione dell’ora del giorno, della stagione e dell’anno. Non devono poi essere trascurate le forti restrizioni sulla disponibilità spettrale, che sono una diretta conseguenza dell’interferenza del rumore esterno e del rumore industriale. Un’altra problematica inerente l’impiego della banda HF è l’occupazione spettrale di questo intervallo frequenziale, storicamente affollato di comunicazioni amatoriali e militari. Questa ridotta disponibilità spettrale rappresenta un ulteriore vincolo che si unisce all’estrema adattabilità necessaria per gestire il canale di propagazione ionosferico, fortemente tempo variante. Per quanto detto appare necessario uno studio finalizzato a caratterizzare la fisica di base del fenomeno di propagazione ionosferico, nonché un’analisi statistica della variabilità spazio temporale del canale di comunicazione e del rumore esterno. Il suddetto studio costituirà la base per la definizione di una strategia di scelta della frequenza da trasmettere, che dal punto di vista operativo si dovrà tradurre nell’implementazione di un sottosistema automatico di gestione delle frequenze.<br>La complessa gestione delle frequenze in trasmissione, unita alla necessità di irradiare dei fasci elettromagnetici il più possibile stretti, evidenzia un’ulteriore elemento di criticità nella progettazione nel sistema radiante. Alla luce delle caratteristiche richieste, l’analisi del sistema d’antenna è stata necessariamente focalizzata verso gli array bidimensionali di antenne di grandi dimensioni, di cui sono stati esaminati i principali benefici ed alcuni aspetti teorici di progettazione. In questa area di ricerca ci siamo proposti l’obiettivo di definire una tecnica di selezione delle frequenze trasmesse che restituisse il massimo ritorno energetico. Nel corso di questa indagine è stato introdotto il concetto di celle ISO-MUF (i.e. Maximum Usable Frequency costante), cioè celle in distanza per le quali si può assumere come ottima una singola frequenza in trasmissione. Successivamente ci siamo preoccupati di riformulare l’equazione classica dei radar, attraverso un’operazione di normalizzazione rispetto ai parametri maggiormente variabili con la frequenza. Questo ha portato alla definizione di un nuovo indice prestazionale per i radar OTH, denominato rapporto segnale-rumore normalizzato (SNRN). In questa parte del lavoro è stato inoltre effettuato uno studio statistico dell’occorrenza dei valori congiunti frequenze trasmesse ed angoli di alzo dell’antenna in trasmissione, al variare delle condizioni ionosferiche. Tale caratterizzazione ha permesso di ricavare preziose informazioni su quelli che sono i valori utili delle suddette quantità e che, in fase di progetto, dovranno essere soddisfatti al meglio dal complesso sistema trasmittente. <br>Altro aspetto di notevole novità rispetto ai classici radar operanti alle microonde, risulta essere il comportamento delle Radar Cross Section (RCS) dei bersagli, che nella gran parte dei casi hanno una dimensione che ricade nella zona di risonanza o in quella di Rayleigh. A questo proposito è stata condotta un’analisi teorica che ha permesso di identificare i margini di variabilità e che ha evidenziato, per via simulativa, alcune indicazioni numeriche sul comportamento delle RCS a queste frequenze. <br>Successivamente all’indagine relativa al sistema radiante, sono state studiate le caratteristiche del segnale che sarà usato in trasmissione. A questo scopo sono state proposte ipotesi e dimensionamenti sulle principali specifiche, tra cui la banda del segnale, la durata dell’impulso trasmesso, la frequenza di ripetizione dell’impulso. L’analisi di questi parametri permetterà di stabilire dei vincoli e di individuare le possibili scelte per il loro corretto dimensionamento nel contesto radar OTH.<br>Gli studi sopra esposti hanno rappresentato la base conoscitiva per la formulazione di un metodo di stima delle potenze di picco in sistemi radar di questo tipo. La metodologia di stima proposta in questo studio utilizza come indice prestazionale il rapporto segnale-rumore normalizzato (SNR_N) precedentemente introdotto. Tale funzionale permette di effettuare una corretta valutazione della potenza richiesta al variare di tutte le condizioni al contorno (configurazione ionosferica, rumore esterno, guadagno d’antenna, ecc.). In questa parte dello studio ci siamo preposti di effettuare una serie di simulazioni che hanno restituito, nei limiti delle ipotesi semplificative introdotte, quelle che teoricamente saranno le richieste di potenza di picco del sistema radar al variare delle condizioni ionosferiche. Risultati numerici sono stati calcolati per un’ampia casistica di condizioni ionosferiche, messa a punto per coprire la variabilità undecennale del comportamento ionosferico. <br>
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