• pseudo-noise
• FMCW

Introduzione
Secondo la definizione più generale il Radar (acronimo per Radio Detection and Ranging) è un sistema in grado di determinare la presenza di oggetti e di stimarne la distanza sfruttando la proprietà di questi ultimi di reirradiare parte dell'energia elettromagnetica generata dal radar stesso.
La funzione primaria di un radar è rivelare la presenza del target ma consente anche di stimare alcuni parametri specifici quali la velocità radiale e la posizione angolare.
La scoperta dei principi di base della tecnica radar si deve ad Hertz che, nel 1886, fece i primi studi sulla riflessione delle onde elettromagnetiche da parte di corpi metallici. Ma è durante la seconda guerra mondiale che si intensificano le ricerche per la progettazione di sistemi radar più efficienti. Come molte altre invenzioni che oggi trovano largo impiego nella vita civile, anche i radar, quindi, nascono come dispositivi bellici e subiscono nel corso degli anni un naturale riadattamento per usi civili. Gli esempi sono numerosi: dai sistemi di controllo del traffico aereo e navale alla meteorologia, dall’esplorazione spaziale al telerilevamento della superficie terrestre ed altri ancora.
In relazione al tipo di forma d'onda utilizzata è possibile suddividere i radar in due categorie principali: radar ad impulsi (Pulsed Radar) e radar ad onda continua (Continuous wave radar, CW).
I primi emettono un impulso a radiofrequenza di breve durata che si ripete periodicamente. Durante l'intervallo tra un impulso e il successivo il radar commuta in ricezione per captare gli echi di ritorno da un eventuale target. Si ha, quindi, una separazione temporale tra la fase di trasmissione e la fase di ricezione. In questo caso è possibile determinare la presenza o meno del target e stimare la sua distanza attraverso la misura del ritardo tra segnale trasmesso ed eco ricevuto.
I radar ad onda continua, invece, emettono energia elettromagnetica in maniera continua nel tempo: non c'è separazione temporale tra segnale trasmesso e segnale ricevuto. In questo caso è possibile rivelare la presenza di un eco in ricezione purchè il target sia animato da una velocità radiale rispetto al radar. A causa dell'effetto Doppler, infatti, il segnale ricevuto ha una frequenza che differisce da quella del segnale trasmesso di una quantità che è legata alla velocità radiale del target.
In questo caso, quindi, esiste una separazione frequenziale tra i due segnali e, oltre alla determinazione della presenza o meno del target, si può procedere alla determinazione della sua velocità radiale. I radar di questo tipo presentano lo svantaggio di non poter estrarre dal segnale ricevuto informazioni sulla distanza del target poiché non vi è separazione temporale tra segnale trasmesso e segnale ricevuto, come avviene, invece, per i radar a impulsi.
Per superare questo limite è necessario applicare delle tecniche di modulazione di frequenza (FM) o
di fase (PM) sul segnale trasmesso introducendo, quindi, una sorta di codifica del segnale. In questo modo però si va incontro a tutti gli inconvenienti presenti nei radar a impulsi, come l’ambiguità in distanza e l’ambiguità Doppler.
I radar CW sono caratterizzati, generalmente, da una struttura più semplice rispetto a quella dei radar ad impulsi e il trasmettitore è meno ingombrante e pesante (percentualmente il 25% - 50% in meno).
Con i radar a onda continua è teoricamente possibile la rivelazione di target anche a distanze ridotte, risolvendo in questo modo il problema delle distanze cieche.
Queste caratteristiche rendono il radar a onda continua più adatto per quelle applicazioni in cui la
facilità di trasporto riveste un ruolo importante come ad esempio il Through the Wall radar.
Un sistema di questo tipo è utile per applicazioni civili, come la localizzazione di sopravvissuti intrappolati in un edificio in fiamme o in zone colpite da terremoto, e per applicazioni militari,come ad esempio in operazioni antiterrorismo.
A parità di tempo di illuminazione del target, la potenza di picco dei radar CW è più bassa rispetto ai radar ad impulsi. Esiste, comunque, un limite massimo per la potenza trasmessa dovuto alla necessità di garantire un buon isolamento fra trasmettitore e ricevitore. Ciò comporta che la portata del radar risulta limitata.
Fra le odierne applicazioni dei radar a onda continua possiamo ricordare: gli autovelox (misura della velocità dell'auto), la misura della velocità di decollo e di atterraggio di aerei, la misura della riflettività del terreno (scatterometri).
Oltre alle due classi principali di sistemi sopra citati ( radar a impulsi e radar CW) esistono altri apparati che utilizzano parzialmente le caratteristiche dell'una e dell'altra classe.
Come detto precedentemente la funzione primaria di un sistema radar è quella di rivelare la presenza di un target all'interno di una certa area di sorveglianza: il ricevitore, dopo l'elaborazione del segnale ricevuto, stabilisce se è presente o meno l'eco di un target (segnale utile).
Le prestazioni del sistema sono strettamente legate all'ambiente in cui si trova ad operare, in quanto possono risentire della presenza del “rumore di fondo” costituito da disturbi di varia origine.
Il rumore di fondo include il rumore termico, caratteristico di tutti i sistemi fisici che può essere modellato come un processo casuale stazionario e bianco, le interferenze prodotte da altri apparati che operano nello stesso ambiente, e, nel caso di radar di tipo militare, i segnali appositamente generati dal nemico ( jammer).
Un altro tipo di disturbo specifico dei sistemi radar viene indicato con il termine clutter e si riferisce agli echi indesiderati prodotti da oggetti di diversa natura, come ad esempio le onde del mare, gli alberi, la pioggia, le nuvole ecc..
E' opportuno precisare che la definizione di eco indesiderato dipende dalla specifica applicazione del radar, in quanto un eco che costituisce un disturbo per certe applicazioni può rappresentare un segnale utile per altre. Basti pensare, ad esempio, all'eco dovuto alla pioggia che, sebbene sia considerato un disturbo nella maggior parte dei casi, rappresenta il segnale utile nei radar meteorologici.
Il problema della rivelazione dei segnali utili in presenza dei segnali non voluti si presenta, quindi, particolarmente difficile.
Dalla teoria radar è noto come la rivelazione di un eventuale eco in presenza di rumore termico, dipenda unicamente dal contenuto energetico del segnale, relativo al livello di rumore, e non dalla sua forma. Per il rumore intrinseco del sistema è quindi possibile definire un filtro ottimo (filtro adattato), derivante dalla massimizzazione del rapporto tra la potenza del segnale utile e quella di rumore. Al contrario, nel caso degli altri disturbi tale processo non risulta del tutto soddisfacente.
D'altra parte, la scelta della forma d'onda del segnale trasmesso assume particolare importanza nella stima della distanza e della velocità radiale del target.
La determinazione di forme d’onda che permettono una soddisfacente misura della distanza e della velocità si basa sul concetto di funzione di ambiguità. La funzione di ambiguità non è altro che uno strumento matematico per l'analisi di forme d’onda e risulta di estrema utilità quando è necessario esaminare la risoluzione, il livello dei lobi e l’ambiguità, sia in range che in Doppler, di un dato segnale.
Nel campo della difesa elettronica c’è un interesse sempre crescente nei confronti dei radar che sfruttano forme d’onda caratterizzate da una bassa probabilità di essere intercettate. I radar LPI (Low Probability Intercept) rappresentano quei sistemi che utilizzano particolari forme d’onda per rivelare la presenza del target e contemporaneamente evitare l'intercettazione da parte di sistemi in ricezione non cooperanti. I radar CW rientrano in questa categoria.
L’uso di queste forme d'onda consente di diminuire il Range Advance Factor (RAF), un indice che rappresenta il rapporto tra la distanza alla quale il sistema passivo può rivelare il radar e quella a cui il radar è in grado di rivelare il sistema in ricezione.
Le caratteristiche di LPI possono derivare da apposite scelte in fase di progettazione o possono essere conseguenza delle caratteristiche intrinseche della forma d’onda. Nel caso del noise radar, ad esempio, vengono utilizzati codici pseudo-noise appositamente come caratteristiche ECCM (Electronic Counter Counter Measure).
La classiche strategie di detection degli impulsi a banda stretta, come la Trasformata discreta di Fourier effettuata tramite FFT (Fast Fourier Transform), potrebbero non risultare efficienti in presenza di queste tipologie di segnali, manifestando basse prestazioni o addirittura l’impossibilità di rivelazione.
L’obbiettivo di questo studio, svolto presso l’azienda SELEX Galileo, è stato quello di effettuare un’analisi comparativa delle prestazioni di sistemi radar ad onda continua che utilizzano due tecniche di modulazione: modulazione in frequenza di tipo lineare (LFMCW ) e modulazione in fase con una sequenza pseudo casuale (pseudo-noise). L'analisi è stata effettuata a livello simulativo utilizzando il linguaggio di programmazione Matlab.
Il confronto tra le due forme d'onda è stato effettuato a parità di banda, a parità di potenza trasmessa e, trattandosi di tecniche di modulazioni periodiche, anche a parità di durata del periodo di modulazione.
Un primo confronto ha riguardato la risoluzione, il livello dei lobi secondari (PSR Peak Sidelobe Ratio) e l'ambiguità, sia in range che in doppler, dei due segnali. Tale confronto è basato sulle caratteristiche della funzione di ambiguità periodica.
Un secondo confronto ha riguardato la caratteristica LPI dei due segnali.
Infine, un terzo confronto ha riguardato la bontà delle prestazioni delle due forme d'onda in termini di probabilità di falso allarme e probabilità di rivelazione in diversi scenari radar. In quest'ultimo caso, sulla base dei possibili disturbi che potrebbero presentarsi nell'ambiente operativo dei radar, sono stati scelti i seguenti scenari:
1. presenza di solo rumore termico;
2. presenza di rumore termico e clutter:
a) clutter con potenza superiore alla potenza del segnale utile;
b) clutter saturante;
3. presenza di rumore termico e interferente intenzionale (jammer):
a) interferente a banda stretta;
b) interferente a banda larga;
4. presenza di rumore termico e mutua interferenza;