• rivelazione detection

I sistemi radar imbarcati per la sorveglianza e la difesa aerea di nuova concezione dovranno essere in grado di operare in un contesto in cui lo scenario operativo assume dei connotati sempre più articolati e complessi. Nel corso dell’ultimo decennio si sono affacciati sul mercato internazionale target con proprietà stealth e velocità supersoniche, con profili di volo combinato sea-skimmer e high-diving, che al momento non sono efficacemente rivelabili dai convenzionali radar a microonde imbarcati.
Le menzionate criticità sono state oggetto in particolare di studi NATO, da cui è emerso che in termini di scoperta e tracciamento si può trarre beneficio dall’impiego congiunto di bande di frequenza distinte, nella fattispecie la banda VHF e la banda S. Si sfrutterà la propagazione Surface Wave attorno ai 30 MHz per bersagli in area BHOS (Below HOrizontal Search), unitamente alla banda S, e frequenze attorno ai 150 MHz per l’area VHES (Very High Elevation Search).
Rispetto alle soluzioni oggi esistenti, gli aspetti innovativi sono principalmente la caratteristica dell’impiego come gap-filler di sistemi già operativi, e la natura compatta del sistema, focalizzata sull’impiego navale. L’impiego principe, per un sistema del genere, rimarrebbe l’inserimento all’interno di un sistema di sorveglianza marittimo integrato. Il vantaggio che ne deriverebbe sarebbe pagante degli sforzi fatti: un radar multibanda su piattaforma mobile non è vincolato ad operare in una determinata zona, ma può posizionarsi in punti d’interesse strategico oppure supportare squadre navali durante la navigazione.
L’obiettivo finale è di fornire un’analisi dei criteri di progetto per un sistema bibanda VHF+S navale, delineando con maggiore dettaglio i benefici dovuti all’impiego di bande distinte. Si fornisce anche uno studio delle portate ottenibili con tale sistema, dando maggior credito ad una sua realizzazione effettiva. Infine, se ne evidenziano le criticità che richiederanno un approfondimento in fase di realizzazione di un eventuale prototipo.

Lo studio svolto è stato fatto analizzando l’equazione del radar, considerando attentamente i fattori peculiari del sistema multibanda. Tra gli aspetti trattati, alcuni differiscono sostanzialmente dalla progettazione classica dei radar a microonde, come la propagazione ad onda superficiale, lo studio della RCS dei bersagli di maggiore interesse (UAV, velivoli stealth, bersagli a bassa quota a velocità supersonica) e del rumore ambientale nelle due bande. Studi legati al signal processing, data fusion, eliminazione del clutter, non sono stati considerati. Si sono trascurati anche i parametri strettamente legati agli elementi radianti, quali i vantaggi di una configurazione del sistema radiante di tipo ad array ed il tempo di scansione, in quanto parametri da considerare in fasi più avanzate del progetto.
Tutti i capitoli, ad eccezione del primo che introduce i sistemi multibanda, sono strutturati in modo concettualmente uguale: la prima parte contiene le basi scientifiche per inquadrare rigorosamente il problema, la parte finale contiene invece le simulazioni e le misurazioni svolte, con riferimento ai software e alle strumentazioni utilizzate, alle loro potenzialità ed ai loro limiti. Da un lato, con le simulazioni si sono analizzati contemporaneamente una varietà di parametri del sistema, potendoli far variare in un intervallo ampio di valori, permettendo l’impostazione efficace di una misura reale. Dall’altro, la misura ha permesso tanto di validare le simulazioni, quanto di evidenziare problemi reali di cui non si era tenuto conto, alimentando la sinergia fra i due diversi approcci al problema.

La risposta alla possibile fattibilità del sistema proposto, è stata data in termini di probabilità di rivelazione al variare della distanza, fissati una serie di vincoli progettuali che assicurerebbero un impiego efficace a bordo, utilizzando trasmettitori commerciali con prestazioni di basso profilo. Lo studio del dimensionamento di massima del sistema rappresenta uno studio di prefattibilità e come tale deve essere considerato: una goccia nel mare della ricerca nel campo dei radar multibanda. Tuttavia, i risultati dello studio inerente la portata radar, risultano essere promettenti al fine di una realizzazione fisica del sistema: con potenze di picco massime di 3 KW è possibile rivelare piccoli bersagli, lunghi meno di 20 m, a distanze comprese fra i 20 e i 60 Km. Tali risultati preliminari sullo studio dei criteri di progetto di un radar bibanda navale danno fiducia/credito/valide basi per iniziare uno studio di prefattibilità per un progetto unico Difesa – Enti di Ricerca. Gli sviluppi futuri necessari, tracciati da questo lavoro, sono l’impostazione di uno studio congiunto e approfondito delle due bande di interesse dal punto di vista delle tecnologie avanzate di elaborazione del segnale e data fusion, e l’analisi elettromagnetica del sistema per evidenziarne le Radiation Hazard.

ENGLISH VERSION: In this thesis work, under the guidance of the Radar Laboratory of CNIT (National Inter-University Consortium for Telecommunications) in Pisa and the Institute for Telecommunications and Electronics (ITE) of the Italian Navy "G. Vallauri " in Livorno, I’ve addressed various issues related to the design of a shipborne dual-band radar system. In fact, the newly developed shipborne radar systems for surveillance and air defense must be able to operate in a operational scenario takes on more and more articulate characteristics and complexities. Over the last decade it has appeared on the international market target with stealth property and supersonic speeds, combining sea-skimmer and high-diving flight profiles, which at the moment are not effectively detectable by conventional microwave radar on board.

The above-mentioned problems have been subject of NATO measurement trials, tank to the working group SET (Sensors and Electronics Technology) 152, and a series of related studies of ITE, which showed that in terms of discovery and tracking can be taken benefit from the use of joint distinct frequency bands (Multiband Exploitation). From an analysis of the data collected by ITE, it has been chosen to exploit VHF band and S-band. On one hand, we'll use the Surface Wave propagation around 30\,MHz for targets in BHOs area (Below Horizontal Search), together with the S-band to improve the resolutions of the system in 3 dimensions, and on the other hand we'll use frequencies around 150MHz for the VHES area (Very High Elevation Search).
Compared to existing solutions, the innovative aspects are mainly the use as gap-filler of operational systems, and the compact nature of the system, focusing on naval use.

The ultimate goal is to provide an analysis of the design criteria for a dual band (VHF+S) shipborne system, outlining the benefits from the use of distinct bands. This work also provides a study of detection ranges obtainable with such a system, a necessary study for continuing a possible project. It gives even greater credit to its physical implementation on board, because is carried out a power balance with values taken by COTS (Commercial Off-The-Shelf) components.
The study has been realized by an analysis of the radar equation, carefully considering factors specific to the multi-band system. Among the issues addressed, some differ substantially from the classic design of microwave radar, such as the surface wave propagation, the study on RCS of targets (UAV, stealth aircraft, low altitude targets at supersonic speed) and environmental noise in the two bands. Studies related to signal processing, data fusion and peculiarities of radiating elements, were not considered. All of them are parameters to consider in more advanced stages of the project.

The answer to the possible continuation of the study of the proposed system is given in terms of probability of detection as a function of range, set a number of design constraints that would allow the use on board. The results obtained appear to be promising in terms of carry on the system design: with a peak power up to 3 kW is possible to detect targets long less than 20 m, and operating at altitudes between 10 m and 14 km, at distances between 20 and 60 Km. These preliminary results make us confident to start a research project.

Future necessary development, drawn in this work, is the set up of a joint and depth study of the two bands of interest, from the point of view of advanced technologies for signal processing and data fusion. In addiction, an analysis of electromagnetic system to highlight the Radiation Hazard is needed.